JP2019506701A - Anode with diatom shell - Google Patents

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ヴルム−ブルーアー、フリーデ
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ノルウェージャン ユニバーシティ オブ サイエンス アンド テクノロジー(エヌティーエヌユー)
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Abstract

【課題】
【解決手段】カーボンコーティングで被覆された多孔質二酸化ケイ素ネットワークと、カーボンブラックなどの導電性フィラーと、水分散性又は水溶性バインダー、好ましくは、アルギン酸バインダーとを含む複合物。
【選択図】図1
【Task】
A composite comprising a porous silicon dioxide network coated with a carbon coating, a conductive filler such as carbon black, and a water dispersible or water soluble binder, preferably an alginic acid binder.
[Selected figure] Figure 1

Description

本発明は、リチウムイオン電池及び更に詳しくは、当該電池用アノードに関する。本発明は、リチウムイオン電池のアノード用に好適な物質の組成物に関するものであり、当該組成物は、炭素で被覆された焼成珪藻、導電性フィラー(例えば、カーボンブラックやカーボンナノチューブなど)及び水溶性/水分散性バインダーを含む。本発明はまた、本発明において使用する炭素被覆珪藻の製造方法及び本発明のアノードを含む電池にも関する。   The present invention relates to lithium ion batteries and more particularly to an anode for such batteries. The present invention relates to a composition of materials suitable for lithium ion battery anodes, said composition comprising a carbon coated calcined diatom, a conductive filler (eg carbon black, carbon nanotubes etc) and a water soluble Containing a water / water dispersible binder. The invention also relates to a process for the preparation of the carbon coated diatoms used in the invention and to a battery comprising the anode of the invention.

リチウムイオン電池は、家庭用電化製品によく使用されている。リチウムイオン電池(Liイオン電池又はLIBという場合もある)は、リチウムイオンが放電中に負電極から正電極に移動し、充電時に負電極に戻る充電式電池タイプの一種である。Liイオン電池に使用される種々の公知の電極材料がある。Liイオン電池は、例えば、一電極材料としてリチウム層間化合物を使用することが多い。イオン移動を可能にする電解質と、前記の2つの電極が、リチウムイオン電池セルの構成要素である。   Lithium ion batteries are often used in household appliances. Lithium ion batteries (sometimes referred to as Li ion batteries or LIB) are a type of rechargeable battery type in which lithium ions move from the negative electrode to the positive electrode during discharge and return to the negative electrode during charge. There are various known electrode materials used in Li-ion batteries. Li-ion batteries, for example, often use lithium intercalation compounds as one electrode material. An electrolyte that allows ion migration and the two electrodes described above are components of a lithium ion battery cell.

化学的性質、性能、コスト及び安全性といった特性は、LIBタイプによって異なる。電池性能を向上させるために、高性能カソードを開発する試みにおけるカソードの研究に近年労力が費やされているが、成果は得られていない。従って、高性能Liイオンセルを得るためには、高性能アノードを開発することが、全体の総セル比容量を向上させるためにより現実的な選択肢である。   Properties such as chemical properties, performance, cost and safety vary with LIB type. Efforts have been expended in recent years to research cathodes in an attempt to develop high performance cathodes to improve cell performance, but no results have been obtained. Thus, to obtain high performance Li-ion cells, developing high performance anodes is a more realistic option to improve the overall cell specific capacity.

ハンドヘルド電子機器では、ほとんどの場合、グラファイトを含むアノードをベースとしたLIBを使用している。グラファイトは、理論容量は限られているが、安全な材料であるため、リチウム金属などの他の潜在的なアノード材料よりも好まれている。充電サイクル中、Liイオンの挿入がグラファイト中で起こり、LiC6を形成する。このプロセスは、約12体積%のみのわずかな膨張を伴う。CとLiC6との間のサイクルに関する理論容量は、372mAh g-1である。 Handheld electronics most often use anode based LIBs containing graphite. Graphite is preferred over other potential anode materials, such as lithium metal, because it has a limited theoretical capacity but is a safe material. During the charge cycle, the insertion of Li ions occurs in the graphite to form a LiC 6. This process involves a slight expansion of only about 12% by volume. The theoretical capacity for the cycle between C and LiC 6 is 372 mAh g −1 .

グラファイトアノードの可能な代替物として、リチウムと合金を形成し且つ高比容量を有する多くの金属(すなわち、Sn、Pb、Al、Ge、Zn、Cd、Ag及びMg)が過去10年間に研究されている。しかしながら、これら合金の大部分は、サイクル中、大きく膨張することにより、完全な分解及び集電体との電子的接触の喪失をもたらすため、サイクル性に劣る。その例外は、TiO2である。その理論容量は、335mAh g-1であり、熱安定性は良好である。しかしながら、このリチウムチタン負極物質は、比較的高い電圧(Li/Li+に対して>1V)で作動し、これは、セル電圧の低下につながり、よって、エネルギー及び電力密度がそれに応じて低下する。従って、急速充電が極めて重要である場合を除いて、チタン酸リチウムの負電極に対する関心は薄れた。 As a possible alternative to graphite anodes, many metals (ie Sn, Pb, Al, Ge, Zn, Cd, Ag and Mg) which are alloyed with lithium and which have high specific capacities have been studied in the last decade ing. However, most of these alloys are inferior in cyclability because they undergo extensive expansion during cycling resulting in complete decomposition and loss of electronic contact with the current collector. The exception is a TiO 2. Its theoretical capacity is 335 mAh g -1 and its thermal stability is good. However, this lithium titanium negative electrode material operates at relatively high voltages (> 1 V vs. Li / Li +), which leads to a reduction in cell voltage and hence a corresponding reduction in energy and power density. Thus, the interest for lithium titanate negative electrodes has diminished, except where rapid charging is crucial.

より最近では、シリコンアノードが注目されている。というのも、シリコンは、理論容量が非常に高いため、理想的なアノード材料であるからである。Si系アノードは、上記合金を形成する元素の中で最も高い理論比容量(4200mAh g-1)を有する。シリコン系アノードは、1000〜1200mAh g-1の目標比容量値に容易に到達し得る。しかしながら、サイクル中におけるSiアノードの急激な体積膨張により、容量減衰と微粉化が生じるため、Liイオン電池において実用可能な電極にするために高度な処理を必要とする。 More recently, silicon anodes have attracted attention. Silicon is an ideal anode material because it has a very high theoretical capacity. The Si-based anode has the highest theoretical specific capacity (4200 mAh g −1 ) among the elements forming the alloy. The silicon-based anode can easily reach a target specific capacity value of 1000-1200 mAh g −1 . However, the rapid volumetric expansion of the Si anode during cycling results in capacity fade and micronization, requiring a high degree of processing to make it a viable electrode in Li-ion batteries.

Siアノードは、300体積%の膨張が見られ、工業的使用に不適切である。300体積%膨張するアノードでは、材料に対し非常に大きな機械的応力がかかり、アノードの容量減退とその後の微粉化、またアノードの電流捕捉部を電解質から分離する固体電解質相間層の劣化も生じる。   The Si anode has an expansion of 300% by volume and is unsuitable for industrial use. With a 300 volume percent expanded anode, the material is subjected to very high mechanical stress, resulting in volume loss of the anode and subsequent micronization, as well as degradation of the solid electrolyte interphase that separates the current capture portion of the anode from the electrolyte.

膨張の問題に対処する試みがなされている。米国特許出願公開第2008/0038170号明細書(特許文献1)では、適切な処理の後、珪藻から得られる、成形されたSiナノスケール材料が提案されている。同様に、中国特許第102208636号明細書(特許文献2)では、珪藻土を取り上げ、炭素でコーティングする前に珪藻土をSiに金属熱還元している。このアイデアは、電極としてSiの利点と共に多孔質珪藻土構造体を使用することであるが、この解決策は依然として上述の膨張問題を抱えている。   Attempts have been made to address the problem of inflation. U.S. Patent Application Publication No. 2008/0038170 proposes a shaped Si nanoscale material obtained from diatoms after appropriate processing. Similarly, in Chinese Patent No. 102208636 (patent document 2), diatomaceous earth is taken and metallogenic reduction of diatomaceous earth to Si is carried out before coating with carbon. The idea is to use a porous diatomaceous earth structure with the advantages of Si as an electrode, but this solution still suffers from the expansion problems described above.

そこで、本発明者らは、容量、サイクル性及び安定性の点でより良好な電気化学的性能を提供する、既存のグラファイト系アノードの代替となり得るアノードとして珪藻の使用を検討している。   Thus, we are examining the use of diatoms as an alternative anode to existing graphite based anodes that provide better electrochemical performance in terms of capacity, cyclability and stability.

高理論可逆比容量(約1675〜1965mAh g-1)及び低放電電位のシリカ(SiO2)は、最近、Si系アノードの潜在的な代替物として大きな関心を集めている。グラファイト系アノードと比較してシリカの負極電圧が高いため、低いセル電圧によりエネルギー密度が低下する。しかしながら、このエネルギーの低下は、その非常に高い可逆比容量により補償することができる。高電圧カソードと複合シリカアノードの組み合わせにより、Liイオン電池のエネルギー密度を、現在及び未来の用途の必要条件まで高めることができる。 High theoretical reversible specific capacities (about 1675 to 1965 mAh g -1 ) and low discharge potential silica (SiO 2 ) have recently attracted great interest as potential substitutes for Si-based anodes. Since the negative voltage of the silica is higher than that of the graphite-based anode, the energy density decreases due to the low cell voltage. However, this reduction in energy can be compensated by its very high reversible specific capacity. The combination of high voltage cathode and composite silica anode can increase the energy density of Li-ion batteries to the requirements of current and future applications.

珪藻は、被殻と呼ばれるナノ構造非晶質シリカ骨格を生成する単細胞藻類である。Energy Environ Sci 2011, 4, 3930(非特許文献1)において、珪藻は、金属酸化物を担持し得るため、ナノバイオテクノロジーにおいて潜在的可能性を有するとされている。これらの材料は、例えば、被殻のSi金属への変換により、電池における使用についても提案されている。そこで、本発明者らは、高性能アノードに珪藻を使用できることに気付いた。   Diatoms are unicellular algae that produce a nanostructured amorphous silica framework called the putamen. In Energy Environ Sci 2011, 4, 3930 (Non-patent Document 1), diatoms are said to have potential in nanobiotechnology because they can support metal oxides. These materials have also been proposed for use in batteries, for example by conversion of putamen to Si metal. So we noticed that diatoms could be used for the high performance anode.

珪藻は藻類であり、シリカ(SiO2)の天然源である。これらの藻類は、被殻と呼ばれるシリカの細胞壁を成長させる。これらの被殻は、天然の規則的なナノ構造の多孔質シリカ骨格を提供し、これにより電池のサイクル中に生じる膨張を補償することができる。珪藻に含まれる有機物は、カーボンコーティングの供給源としても使用でき、他の被覆処理に伴うかなりの処理時間及びコストを削減することができる。Liイオン電池のアノードへの二酸化ケイ素の使用は、これまでにも試みられている。J Power Sources 196(2011)10240-10243(非特許文献2)では、炭素被覆二酸化ケイ素ナノ粒子がLiイオン電池のアノードとして提案されている。使用されているナノ粒子は、アエロジル(AEROSIL)粒子であり、スクロース溶液中で加熱し、炭素マトリックスに包埋された二酸化ケイ素を調製する。しかし、その材料は多孔質ではない。 Diatoms are algae and a natural source of silica (SiO 2 ). These algae grow the cell wall of silica called putamen. These mantles provide a natural, ordered nanostructured porous silica framework, which can compensate for the expansion that occurs during battery cycling. The organic matter contained in diatoms can also be used as a source of carbon coatings, which can reduce considerable processing time and costs associated with other coating processes. The use of silicon dioxide for the anode of Li-ion batteries has been attempted in the past. In J Power Sources 196 (2011) 10240-10243 (Non-patent Document 2), carbon-coated silicon dioxide nanoparticles are proposed as the anode of a Li-ion battery. The nanoparticles used are Aerosil (AEROSIL) particles, which are heated in sucrose solution to prepare silicon dioxide embedded in a carbon matrix. However, the material is not porous.

米国特許出願公開第20140134503号明細書(特許文献3)には、電極におけるマンガン含有被殻が記載されている。Mnは、被殻上のコーティングとして機能する。被殻は単に機械的支持として使用されているようである。   U.S. Patent Application Publication No. 20140134503 (Patent Document 3) describes a manganese-containing putt on an electrode. Mn functions as a coating on the putamen. The putamen appears to be used merely as a mechanical support.

RSC Adv. 2014, 4, 40439(非特許文献3)において、紅藻類に覆われた珪藻が、熱分解され、Liイオン電池用アノードを形成し、PVDF/NMPバインダーと共に使用されている。ただ、バイオマスは使用前に浄化されず、使用されているバインダーは非水性/非水溶性である。しかし、焼成珪藻と水溶性バインダーとの組み合わせは新規であり、電極容量の点で有利なだけでなくコストも削減した環境に優しい解決法を提供する。   In RSC Adv. 2014, 4, 40439 (Non-patent document 3), diatoms covered with red algae are pyrolyzed to form an anode for Li-ion batteries and used with a PVDF / NMP binder. However, the biomass is not purified before use and the binders used are non-aqueous / non-water soluble. However, the combination of calcined diatoms and water soluble binders is new and provides an environmentally friendly solution that is not only advantageous in terms of electrode capacity but also reduced in cost.

これに関連して、グラファイト系Liイオン電池溶液に関する別の主要な問題は、これらの電池に使用されるバインダーが、NMP(N−メチル−2−ピロリドン)と併用するPVDF(ポリフッ化ビニリデン)であることである。PVDFは、環境に優しい物質ではない。NMPは、揮発性、爆発性、可燃性であり、生殖毒性物質であるため、安全性が更に低い。電池は電気自動車などの「グリーン」製品で一般的になり、業界では「グリーン」な別のバインダーが必要とされている。特に、この業界では、水性バインダー又は水溶性バインダーが求められている。このようなバインダーは、比較にならないほど環境に優しいだけでなく、現在の溶液よりも90%以上安価でもある。   In this connection, another major problem with graphite-based Li-ion battery solutions is that the binder used in these batteries is PVDF (polyvinylidene fluoride) in combination with NMP (N-methyl-2-pyrrolidone) It is a certain thing. PVDF is not an environmentally friendly substance. Because NMP is volatile, explosive, flammable, and toxic to reproduction, it is less safe. Batteries are commonplace in "green" products, such as electric vehicles, and there is a need in the industry for alternative "green" binders. In particular, there is a need in the industry for aqueous binders or water soluble binders. Such binders are not only environmentally incomparable, but also more than 90% cheaper than current solutions.

リチウムイオン電池に関する詳細な研究では、NMP可溶性PVDFバインダーから水性バインダーに切り替えることにより、1)より安価なバインダー及び溶媒物質と、2)より安価な電極処理工程との組み合わせで90%を上回るコスト削減が可能であることが算出された。   In a detailed study on lithium ion batteries, switching from NMP soluble PVDF binder to aqueous binder reduces cost by over 90% in combination of 1) cheaper binder and solvent materials and 2) cheaper electrode processing process Was calculated to be possible.

驚くべきことに、水性バインダーは、本発明の焼成された炭素被覆珪藻と適合性を有することが分かった。より詳しくは、藻類をベースとした水性バインダーを使用し、本発明の電極を製造することができる。これらは、焼成珪藻材料と適合性を有し、リチウム化及び脱リチウム化の間、形成された電極の安定性を向上させる。   It has surprisingly been found that the aqueous binder is compatible with the calcined carbon-coated diatoms of the present invention. More particularly, algal based aqueous binders can be used to make the electrodes of the present invention. They are compatible with calcined diatomaceous material and improve the stability of the formed electrode during lithiation and delithiation.

米国特許出願公開第2008/0038170号明細書U.S. Patent Application Publication No. 2008/0038170 中国特許第102208636号明細書Chinese Patent No. 102208636 米国特許出願公開第20140134503号明細書U.S. Patent Application Publication No. 20140134503 米国特許出願公開第2014/0193712号明細書U.S. Patent Application Publication No. 2014/0193712

Energy Environ Sci 2011, 4, 3930Energy Environ Sci 2011, 4, 3930 J Power Sources 196(2011)10240-10243J Power Sources 196 (2011) 10240-10243 RSC Adv. 2014, 4, 40439RSC Adv. 2014, 4, 40439

水溶性/水分散性バインダーはまた、安定した固体電解質界面(SEI)を構築するのに役立つ電解質とわずかに相互作用する。米国特許出願公開第2014/0193712号明細書には、シリコン系アノードにおけるアルギン酸バインダーの使用が記載されているが、多孔質焼成シリカネットワークとのそれらの使用は記載されていない。   The water soluble / dispersible binder also interacts slightly with the electrolyte which helps to build a stable solid electrolyte interface (SEI). US Patent Application Publication No. 2014/0193712 describes the use of alginic acid binders in silicon based anodes, but not their use with porous calcined silica networks.

従って、本発明は、一態様において、カーボンコーティングで被覆された多孔質二酸化ケイ素ネットワークと、カーボンブラックなどの導電性フィラーと、水分散性又は水溶性バインダー、好ましくは、アルギン酸バインダーとを含む複合物を提供する。   Thus, the present invention in one aspect a composite comprising a porous silicon dioxide network coated with a carbon coating, a conductive filler such as carbon black, and a water dispersible or water soluble binder, preferably an alginic acid binder I will provide a.

本発明は、別の態様において、カーボンコーティングで被覆された焼成珪藻二酸化ケイ素ネットワークと、カーボンブラックなどの導電性フィラーと、水分散性又は水溶性バインダー、好ましくは、アルギン酸バインダーとを含む複合物を提供する。   In another aspect, the invention provides a composite comprising a carbon coating coated calcined diatomaceous silica network, a conductive filler such as carbon black, and a water dispersible or water soluble binder, preferably an alginic acid binder. provide.

本発明は、別の態様において、カーボンコーティングで被覆された多孔質二酸化ケイ素ネットワークであって、当該カーボンコーティングで被覆された多孔質二酸化ケイ素ネットワークが、総重量1重量%未満のKCl及びNaClを含む多孔質二酸化ケイ素ネットワークを提供する。   The invention provides, in another aspect, a porous silicon dioxide network coated with a carbon coating, wherein the porous silicon dioxide network coated with the carbon coating comprises less than 1% by weight in total of KCl and NaCl. Provided is a porous silicon dioxide network.

本発明は、別の態様において、本明細書において先に記載した複合物を含むリチウムイオン電池用アノードを提供する。   The invention, in another aspect, provides an anode for a lithium ion battery comprising a composite as hereinbefore described.

本発明は、別の態様において、少なくともアノードと、カソードと、電解質とを有するリチウムイオン電池であって、前記アノードが、本明細書において先に記載した複合物を含む、リチウムイオン電池を含む。   The invention comprises, in another aspect, a lithium ion battery having at least an anode, a cathode and an electrolyte, said anode comprising a composite as hereinbefore described.

本発明は、別の態様において、
炭素源の存在下で珪藻源を焼成し、炭素で被覆された焼成珪藻ネットワークを得ることと、
当該ネットワークをカーボンブラックなどの導電性フィラー及び水溶性バインダーと混合することと
を含む、本明細書に記載の複合物の製造方法を提供する。
The invention, in another aspect, comprises
Calcining a diatom source in the presence of a carbon source to obtain a carbon-coated calcined diatom network;
Providing a method of making a composite as described herein comprising mixing the network with a conductive filler such as carbon black and a water soluble binder.

好ましくは、この混合物は、スラリーの形態であり、このスラリーは、電池グレードのCuなどの支持体上にキャストされ、その上にフィルムを形成する。   Preferably, the mixture is in the form of a slurry, which is cast on a support such as battery grade Cu to form a film thereon.

本発明は、別の態様において、上記方法の生成物を提供する。   The invention provides in another aspect the product of the above process.

図1は、本発明の組成物の製造のフローチャートを示す。FIG. 1 shows a flow chart of the preparation of the composition of the invention. 図2は、珪藻のX線回折パターンを示す。(a)浄化工程なしで、アルゴン雰囲気中600℃で焼成、(b)浄化工程なしで、アルゴン雰囲気中1000℃で焼成、(c)洗浄工程後、空気中650℃で焼成、及び(d)洗浄工程後、アルゴン中600℃で焼成。FIG. 2 shows the X-ray diffraction pattern of diatoms. (A) Baking at 600 ° C. in argon atmosphere without purification step, (b) Baking at 1000 ° C. in argon atmosphere without purification step, (c) Baking at 650 ° C. in air after washing step, and (d) After the washing step, bake at 600 ° C. in argon. 図3は、炭素被覆珪藻(SiO2−C)のTG曲線を示す。FIG. 3 shows a TG curve of carbon-coated diatom (SiO 2 -C). 図4は、焼成後の珪藻の残留炭素含有量と添加したデンプン含有量との関係を示す。FIG. 4 shows the relationship between the residual carbon content of diatoms after calcination and the added starch content. 図5は、炭素被覆珪藻(SiO2−C)のFESEM画像を示す。FIG. 5 shows FESEM images of carbon coated diatoms (SiO 2 -C). 図6に、水銀圧入ポロシメトリー(MIP)を用いて測定した炭素被覆珪藻複合物(SiO2−C)の細孔径分布及び細孔表面積を示す。FIG. 6 shows the pore size distribution and pore surface area of carbon-coated diatom complex (SiO 2 -C) measured by mercury intrusion porosimetry (MIP). 図7は、600℃で2時間空気中で焼成し、且つ、洗浄し、600℃で2時間アルゴン中で焼成した炭素被覆珪藻(SiO2−C)を焼成した後の、洗浄した珪藻の微細孔/外表面を含むBET表面積を示す。FIG. 7 shows the fines of washed diatoms after firing in air at 600 ° C. for 2 hours and washing, and after firing carbon-coated diatoms (SiO 2 -C) calcined in argon for 2 hours at 600 ° C. 7 shows BET surface area including pores / outer surface. 図8は、第1、第2、第25及び第50サイクルにおける炭素被覆珪藻ベースのアノード(SiO2−C)の定電流充/放電プロファイルを示す。FIG. 8 shows constant current charge / discharge profiles of carbon-coated diatom-based anodes (SiO 2 -C) in the first, second, twenty-fifth and fifty-fifth cycles. 図9は、炭素被覆珪藻ベースのアノード(SiO2−C)のサイクル数の関数として、50mA/g及び100mA/gの電流密度での不可逆容量のパーセント及び比容量を示す。FIG. 9 shows the percent irreversible capacity and specific capacity at current densities of 50 mA / g and 100 mA / g as a function of cycle number for carbon-coated diatom-based anodes (SiO 2 -C). 図10は、第1、第25及び第50サイクルにおける炭素被覆珪藻ベースのアノード(SiO2−C)の微分容量プロットを示す。FIG. 10 shows the differential capacity plots of the carbon-coated diatom-based anode (SiO 2 -C) at cycles 1, 25 and 50. 図11は、様々な電位窓を用いて中程度に高い電流密度(100mA/g)で市販のグラファイトアノードと炭素被覆珪藻ベースのアノード(SiO2−C)の比容量に関する比較を示す。FIG. 11 shows a comparison of the specific capacities of a commercial graphite anode and a carbon-coated diatom-based anode (SiO 2 -C) at moderately high current densities (100 mA / g) using various potential windows. 図12は、異なる電流密度(100、200、500、1000mA/g)における炭素被覆珪藻ベースのアノード(SiO2−C)の定電流充/放電比容量を示す。FIG. 12 shows the constant current charge / discharge specific capacity of carbon coated diatom based anodes (SiO 2 -C) at different current densities (100, 200, 500, 1000 mA / g). 図13は、電圧窓(0〜2.5V)を用いて、低電流密度(20mA/g)で異なる量のデンプン源(0、35及び80重量%)からカーボンコーティングが得られる炭素被覆珪藻ベースのアノードの比容量に関する比較を示す。FIG. 13 shows a carbon-coated diatom base based on carbon coatings obtained from different amounts of starch sources (0, 35 and 80 wt%) at low current densities (20 mA / g) using voltage windows (0 to 2.5 V) A comparison of the specific capacity of the anode of 図14は、アノード比容量(CA)の関数としてLiイオン電池の総比容量を示す。比容量が100、150及び200mAh/gのカソードを考察している。FIG. 14 shows the total specific capacity of Li-ion batteries as a function of anode specific capacity (C A ). Consider cathodes with specific capacities of 100, 150 and 200 mAh / g. 図15は、珪藻ベースのアノード(SiO2−C)とグラファイトアノードを用いた場合の式1に基づくLiイオン電池の総比容量の比較を示し、(a)グラファイトの理論比容量(372mAh/g)を考察するものと、(b)100mA/gの電流密度での実験的に測定したグラファイトの比容量(80mAh/g)を用いたものである。いずれの場合(図15a及び図15b)も、電流密度100mA/gでの実験的に測定した珪藻ベースのアノード(SiO2−C)の比容量(850mAh/g)が使用されている。FIG. 15 shows a comparison of the total specific capacity of Li-ion batteries based on Equation 1 with diatom-based anode (SiO 2 -C) and graphite anode, (a) theoretical specific capacity of graphite (372 mAh / g And (b) using the experimentally measured specific capacity of graphite (80 mAh / g) at a current density of 100 mA / g. Cases (FIGS. 15a and FIG. 15b) is also the specific capacity of the current density experimentally measured diatom based anode at 100mA / g (SiO 2 -C) (850mAh / g) is used. 図16は、(a)異なる電流密度(100、200、500、1000mA/g)でのグラフェン系アノードの定電流充/放電比容量と、(b)100mA/gの電流密度での、グラフェン(225mAh/g)及び珪藻ベースのアノード(SiO2−C)(850mAh/g)の実験的に測定された比容量を用いて式1に基づくLiイオン電池の総比容量の比較を示す。FIG. 16 shows (a) constant current charge / discharge specific capacity of a graphene-based anode at different current densities (100, 200, 500, 1000 mA / g) and (b) graphene (at 100 mA / g current density) 225 mAh / g) and a comparison of total specific capacity of Li-ion batteries based on equation 1 using the experimentally measured ratio volume of diatom based anode (SiO 2 -C) (850mAh / g). 図17aは、ハーフセル(シリカアノード対Li対向電極)の長期サイクルを説明している。Figure 17a illustrates the long cycle of the half cell (silica anode to Li counter electrode). 図17bは、ハーフセル(シリカアノード対Li対向電極)の長期サイクルを説明している。FIG. 17 b illustrates the long cycle of the half cell (silica anode to Li counter electrode). 図18は、高放電レートと低放電レートで1サイクルおきにサイクルしたハーフセルを示す。FIG. 18 shows half cells cycled every other cycle at high and low discharge rates. 図19において、電極は、前述のものと同様であり、炭素で被覆され、溶媒として水を用いてカーボンブラック及びNa−アルギン酸塩と混合された珪藻である。In FIG. 19, the electrode is a diatom similar to that described above, coated with carbon and mixed with carbon black and Na-alginate using water as the solvent. 図20は、バインダー中の導電性添加剤としてCNTを用いてサイクルしたものと、CNTを含まないNa−アルギン酸バインダーを用いてサイクルしたものとの2つのハーフセルの充/放電データを示す。FIG. 20 shows charge / discharge data for two half-cells, one cycled using CNTs as the conductive additive in the binder and one cycled using a Na-alginic acid binder without CNTs. 図21には、両セルのナイキスト線図が示されている。A Nyquist diagram of both cells is shown in FIG. 図22は、全セルテストの結果を示している。FIG. 22 shows the results of the all-cell test.

[定義]
本発明は、カーボンコーティングで被覆された多孔質二酸化ケイ素ネットワークに依拠する。このネットワークは、炭素源の存在下での珪藻源の焼成により得られる。よって、本明細書において、使用されている多孔質二酸化ケイ素ネットワーク及び焼成珪藻という用語は、同様の構造体を意味する。このネットワークは、多孔質炭素被覆二酸化ケイ素構造体であり、この構造体は、炭素源の存在下、400〜800oCの温度で不活性雰囲気下において珪藻を焼成することにより得られる。
[Definition]
The present invention relies on a porous silicon dioxide network coated with a carbon coating. This network is obtained by calcination of a diatom source in the presence of a carbon source. Thus, as used herein, the terms porous silicon dioxide network and calcined diatoms refer to similar structures. This network is a porous carbon-coated silicon dioxide structure, which is obtained by calcining diatoms in the presence of a carbon source at a temperature of 400-800 ° C. under an inert atmosphere.

使用されている用語水溶性バインダーは、カーボンブラックなどの導電性フィラーと、カーボンコーティングで被覆された多孔質二酸化ケイ素ネットワークとを結合するために使用されるバインダーが水溶性であり、前記複合物の製造方法において、水溶液中での使用が可能であることを示している。水溶性という用語は、23℃で少なくとも1g/L、例えば少なくとも10g/Lの水溶性を有する物質を意味する。   The term water-soluble binder used is such that the binder used to combine the conductive filler, such as carbon black, with the porous silicon dioxide network coated with the carbon coating is water soluble, and the above-mentioned composite The production method shows that use in an aqueous solution is possible. The term water soluble means a substance having water solubility at 23 ° C. of at least 1 g / L, for example at least 10 g / L.

また、バインダーは、水分散性であると考え得る。分散性とは、カーボンブラックなどの導電性フィラーと、カーボンコーティングで被覆された多孔質二酸化ケイ素ネットワークとを結合させるために、バインダーを水性環境(例えば、懸濁液、分散液)で使用できることを意味する。   Also, the binder may be considered water dispersible. Dispersibility means that the binder can be used in an aqueous environment (e.g. suspension, dispersion) in order to combine a conductive filler such as carbon black with a porous silicon dioxide network coated with a carbon coating. means.

バインダーはまた、多孔質二酸化ケイ素ネットワーク、フィラー及び集電体(例えばCu)間の接着も確実にする。しかし、当然のことながら、最終アノードを形成するために、乾燥工程が使用される。従って、アノードの製造中に、例えばバインダーの溶液中に存在する水は、この乾燥プロセスの間に除去することができる。   The binder also ensures adhesion between the porous silicon dioxide network, the filler and the current collector (eg Cu). However, of course, a drying step is used to form the final anode. Thus, during the manufacture of the anode, for example the water present in the solution of the binder can be removed during this drying process.

浄化又は洗浄された、カーボンコーティングで被覆された多孔質二酸化ケイ素ネットワークは、例えば本明細書に記載の如く、浄化処理をし、天然海洋珪藻、特にNaCl及びKClに存在する塩類を除去したものである。清浄な、カーボンコーティングで被覆された多孔質二酸化ケイ素ネットワークは、好ましくはNaCl及びKClを含まないものである。「含まない」とは、これらの化合物に関連する特徴的なピークが、図2に示すように得られたXRDで見られないことを意味する。   Cleaned or washed, carbon-coated porous silicon dioxide networks have been subjected to a purification treatment, for example as described herein, to remove the salts present in natural marine diatoms, in particular NaCl and KCl. is there. The clean, carbon-coated porous silicon dioxide network is preferably free of NaCl and KCl. By "not included" is meant that the characteristic peaks associated with these compounds are not seen in the XRD obtained as shown in FIG.

<カーボンコーティングで被覆された多孔質二酸化ケイ素ネットワーク>
本発明は、カーボンコーティングで被覆された多孔質二酸化ケイ素ネットワークに依拠する。二酸化ケイ素ネットワークは、炭素源の存在下、より詳細に後述するように、珪藻の焼成により得られる。使用されている珪藻という用語は、二酸化ケイ素から成る細胞壁を有する藻類の一種のことをいう。これらの細胞壁は、被殻と呼ばれる。珪藻には多くの種があり、その全てが本発明での使用に好適である。珪藻は、植物プランクトンの最も一般的なタイプの一つである。珪藻は、単細胞であるが、フィラメント若しくはリボン(例えば、フラギラリアなど)、扇(例えば、メリディオンなど)、ジグザグ(例えば、タベラリアなど)、又は星(例えば、アステリオネラなど)の形状でコロニーを形成することができる。珪藻細胞の独自の特徴は、それらが、被殻と呼ばれるシリカ(含水二酸化ケイ素)から成る細胞壁内に封入されていることである。これらの被殻は、多様な形態を有するが、通常、左右対称であり、群名はそこからきている。
<Porous silicon dioxide network coated with carbon coating>
The present invention relies on a porous silicon dioxide network coated with a carbon coating. Silicon dioxide networks are obtained by calcination of diatoms as described in more detail below in the presence of a carbon source. The term diatom, as used, refers to a type of algae which has a cell wall consisting of silicon dioxide. These cell walls are called putamen. There are many species of diatoms, all of which are suitable for use in the present invention. Diatoms are one of the most common types of phytoplankton. The diatoms are single cells, but form colonies in the form of filaments or ribbons (eg, Fragilaria etc.), fans (eg, Meridion etc.), zigzags (eg, Taberaria etc.), or stars (eg, Astelonela etc.) Can. A unique feature of diatom cells is that they are enclosed within the cell wall consisting of silica (hydrous silicon dioxide) called putamen. These putamen have various forms but are usually symmetrical and group names come from there.

生息する珪藻は200属を超え、およそ10万種が現存すると推定されている。珪藻は広範に分布する群であり、海洋、淡水、土壌、湿地表面に見られる。ほとんどは開放水域において漂泳し生息しているが、地表被膜としてや、また湿った大気条件下でさえ生息しているものもある。通常、微細であるが、珪藻の種によっては、最大2ミリメートルの長さに達し得る。   More than 200 genera are inhabited and approximately 100,000 species are estimated to exist. Diatoms are a widely distributed group found on the ocean, freshwater, soil, and wetland surfaces. Most of them float and inhabit open waters, but some also exist as surface coverings and even under moist atmospheric conditions. It is usually fine, but depending on the diatom species, it can reach up to 2 millimeters in length.

珪藻は、独立栄養生物(例えば、黄金藻類、昆布)及び従属栄養生物(例えば、水生菌類)のいずれをも含む、不等毛藻類と呼ばれる大きな群に属する。それらの黄褐色の葉緑体は、不等毛藻類に特有であり、4つの膜を有し、カロテノイド−フコキサンチンなどの色素を含む。   Diatoms belong to a large group called heterophyllous algae, including both autotrophic organisms (eg, golden algae, kelp) and heterotrophic organisms (eg, aquatic fungi). Their yellowish-brown chloroplasts are unique to the indifferent algae, have four membranes, and contain pigments such as carotenoid-fucoxanthin.

ノルウェー海北部から輸送された珪藻は、円盤形状であり、コスキノディスクス科のコスキノディスクスとして同定されている。   The diatoms transported from the northern Norwegian Sea are disk-shaped and have been identified as Coschinodiscus coskinodiscus.

当然のことながら、本発明において使用される珪藻は、異なる種が混在している場合もある。珪藻はそのまま収穫され、珪藻の組成は、珪藻が収穫される海に依存する。   It will be appreciated that the diatoms used in the present invention may be mixed with different species. The diatoms are harvested as such, and the composition of the diatoms depends on the sea from which the diatoms are harvested.

珪藻の被殻は、階層的なナノ又はマクロ多孔質構造を有し、これにより、焼成された珪藻に多孔質構造がもたらされる。図5に示すように、被殻の細孔の性質は、種によって異なる。しかしながら、サイズ90nm未満、例えばサイズ50〜80nmなどの細孔があるのが好ましい。また、サイズが200〜600nmの範囲の細孔があるのも好ましい。   The diatom sheaths have a hierarchical nano or macroporous structure, which results in a porous structure in the calcined diatoms. As shown in FIG. 5, the nature of the putamen pore differs depending on the species. However, it is preferred that there be pores of size less than 90 nm, for example 50-80 nm in size. It is also preferred that there be pores in the size range of 200-600 nm.

大部分の細孔が、25〜750nmの範囲内であるのが好ましい。当然のことながら、珪藻の焼成は、存在する細孔に大きな影響を及ぼすことはない。焼成処理は、被殻の多孔質を破壊しないように設計された雰囲気中の温度で行われる。   Most pores are preferably in the range of 25-750 nm. Naturally, the firing of diatoms does not have a significant effect on the pores present. The calcination process is carried out at a temperature in an atmosphere designed to not destroy the shell porous.

微細孔表面積の点から、炭素被覆珪藻構造体が、少なくとも8m2/g、例えば少なくとも10m2/gの表面積を有することが好ましい。より広い表面積が好ましい。潜在的上限は、30m2/gである。 In terms of micropore surface area, it is preferred that the carbon-coated diatomaceous structure have a surface area of at least 8 m 2 / g, for example at least 10 m 2 / g. Larger surface areas are preferred. The potential upper limit is 30 m 2 / g.

従って、本発明のアノードは、カーボンコーティングで被覆された多孔質二酸化ケイ素ネットワークに依拠するものである。その多孔質二酸化ケイ素ネットワークは、珪藻の焼成により得られる。コーティングは、通常、非晶質炭素から成り、非晶質炭素も、存在する炭素源から、焼成処理の間に形成される。従って、本発明は、別の観点から、炭素源の存在下で珪藻の焼成生成物を含むアノードに関する。   Thus, the anode of the present invention relies on a porous silicon dioxide network coated with a carbon coating. The porous silicon dioxide network is obtained by calcination of diatoms. The coating usually consists of amorphous carbon, which is also formed during the calcination process from the carbon source present. Thus, the present invention relates, in another aspect, to an anode comprising the calcined product of diatoms in the presence of a carbon source.

本願の残りの部分において、使用する用語「珪藻」は、本発明のアノードに使用される多孔質二酸化ケイ素ネットワークを形成する、焼成された珪藻材料を指す。   In the remainder of this application, the term "diatoms" is used to refer to calcined diatomaceous material which forms the porous silicon dioxide network used in the anode of the present invention.

<カーボンコーティング>
アノード構造体に使用される珪藻が、炭素で被覆されていることが不可欠である。炭素は、珪藻に自然に存在する炭素若しくは外部の炭素源から又はその両方から得ることができる。コーティングは、スクロース、デンプンなどの有機炭素含有前駆体から形成される非晶質炭素であることが好ましい。コーティングが非晶質であるということは、XRD及びTEM(透過型電子顕微鏡)で見ることができる。
<Carbon coating>
It is essential that the diatoms used in the anode structure be coated with carbon. Carbon can be obtained from carbon naturally present in diatoms or from external carbon sources, or both. The coating is preferably amorphous carbon formed from organic carbon-containing precursors such as sucrose, starch and the like. The fact that the coating is amorphous can be seen by XRD and TEM (transmission electron microscopy).

焼成された珪藻とコーティングを合わせた総重量に基づいて、カーボンコーティングが、珪藻/コーティング構造体の10〜40重量%、好ましくは15〜35重量%、例えば15〜25重量%、理想的には17〜22重量%を成すことが好ましい。当然のことながら、炭素源は、通常、非炭素元素を含有するため、20重量%のコーティングレベルを達成するのに必要な炭素源の量は、予備焼成された混合物の20重量%よりかなり多くなる場合がある。当業者は、当該炭素源の炭素含有量を分析することにより、特定の最終コーティングレベルを達成するのに必要な炭素源の量を決定することができる。   10 to 40 wt%, preferably 15 to 35 wt%, eg 15 to 25 wt% of the diatom / coating structure, based on the combined weight of the calcined diatom and the coating, preferably 15 to 25 wt%, ideally It is preferable to make up 17 to 22% by weight. Of course, since the carbon source usually contains non-carbon elements, the amount of carbon source needed to achieve a coating level of 20% by weight is considerably more than 20% by weight of the prefired mixture May be One skilled in the art can analyze the carbon content of the carbon source to determine the amount of carbon source needed to achieve a particular final coating level.

カーボンコーティングは、ナノ多孔質二酸化ケイ素珪藻構造体上に連続コーティングを形成していることが好ましい。連続コーティングを形成するのに必要な炭素量は、珪藻の多孔質によって決定される。   The carbon coating preferably forms a continuous coating on the nanoporous silicon dioxide diatom structure. The amount of carbon necessary to form a continuous coating is determined by the porosity of the diatoms.

珪藻内に自然に存在する炭素とは、珪藻中又は場合によっては珪藻上にもともと存在する他の微生物(microorgansims)などの炭素源を意味する。例えば、プランクトン(planckton)は、珪藻上で成長し、炭素源である。他の藻類源は、炭素源であり、すなわち被殻ではなく炭素をベースとした細胞壁を有する藻類である。焼成の間に、炭素源は非晶質炭素に変換され、非炭素原子は遊離する。   Naturally occurring carbon in diatoms refers to carbon sources such as other microorganisms originally present in the diatoms or in some cases on the diatoms. For example, planckton grows on diatoms and is a carbon source. Another algal source is a carbon source, ie, algae that have a carbon-based cell wall rather than a putamen. During calcination, the carbon source is converted to amorphous carbon and non-carbon atoms are liberated.

炭素の外部供給源とは、珪藻上にコーティングを形成するために珪藻に添加される炭素質物質を意味する。外部供給源は、存在する天然炭素の代わりに又はそれに加えて添加してもよい。   By an external source of carbon is meant a carbonaceous material added to the diatom to form a coating on the diatom. External sources may be added in place of or in addition to the natural carbon present.

コーティング処理の間に、任意の炭素源を使用することができる。炭素化合物は、一般に、焼成処理中に非晶質カーボンコーティングに変換される。炭素源は、糖類、オリゴ糖類又は多糖類などの天然源であることが好ましい。好ましい供給源は、セルロース系物質、例えば、デンプンである。   Any carbon source can be used during the coating process. Carbon compounds are generally converted to amorphous carbon coatings during the calcination process. The carbon source is preferably a natural source such as saccharides, oligosaccharides or polysaccharides. The preferred source is a cellulosic material, such as starch.

カーボンコーティングは、材料の導電性を高めることにより、電池におけるアノードの性能を向上させる。さらに、カーボンコーティングは、焼成の間の粒子成長、並びに電池サイクル中の潜在的粒子成長及び多孔質ネットワークの破壊を妨げる。カーボンコーティングはまた、アノードと電解質との間に安定した固体電解質界面(SEI)層の形成も促進する。SEIは、リチウム化されたアノード上に形成される非常に薄い層であり、電解液の分解時に生じる。SEIは、有機種及び無機種から成り、イオン伝導性であるが電気絶縁性である層を形成する。これは、アノードを不動態化し、電解液とのさらなる反応を防止し、デバイスの可逆的動作を可能にする。   The carbon coating improves the performance of the anode in the battery by increasing the conductivity of the material. In addition, carbon coatings prevent particle growth during firing as well as potential particle growth and destruction of the porous network during battery cycling. The carbon coating also promotes the formation of a stable solid electrolyte interface (SEI) layer between the anode and the electrolyte. SEI is a very thin layer formed on a lithiated anode and occurs upon decomposition of the electrolyte. The SEI forms a layer that consists of organic and inorganic species and is ionically conductive but electrically insulating. This will passivate the anode, prevent further reaction with the electrolyte and allow reversible operation of the device.

当然のことながら、電池が充電及び放電する間、電解質中に存在するLiイオンはアノードに挿入及び脱離(抽出)される必要がある。しかしながら、電解質の他の成分は、コインターカレートしない(共挿入されない)ことが極めて重要であり、さもなければ、アノードが間違った物質を吸収し、効率的に作用することができない。驚くべきことに、珪藻上のカーボンコーティングは、安定したSEI層を形成すべく作用するため、電解質中の他の成分による損傷からアノードを保護することが分かっている。   Of course, while the battery is charging and discharging, Li ions present in the electrolyte need to be inserted and extracted (extracted) to the anode. However, it is crucial that the other components of the electrolyte not co-intercalate (do not co-insert), otherwise the anode will absorb the wrong material and can not function efficiently. Surprisingly, the carbon coating on diatoms has been found to protect the anode from damage by other components in the electrolyte, as it acts to form a stable SEI layer.

焼成珪藻上のコーティングの厚さは多様であるが、可能な厚さの範囲は10nm未満である。厚さが多様であることから、存在するコーティングの量を明確にするためには、重量%の使用が好ましい。   Although the thickness of the coating on calcined diatoms varies, the range of possible thicknesses is less than 10 nm. Due to the varying thickness, the use of weight percent is preferred to define the amount of coating present.

<バインダー>
本発明のアノードの製造に好適な複合物を調製するためには、焼成珪藻材料をそのカーボンコーティングや、カーボンブラック導電体粒子などの導電性フィラーと結合させることが必要である。バインダーは、導電性である場合、集電体としても作用し得る。通常、バインダーは伝導しないため、別個の集電体が必要である。本発明に使用されるバインダーは、水溶性/水分散性である。
<Binder>
In order to prepare a composite suitable for the production of the anode of the present invention, it is necessary to combine the calcined diatomaceous material with its carbon coating and conductive filler such as carbon black conductor particles. The binder, when conductive, can also act as a current collector. Usually, the binder does not conduct, so a separate current collector is required. The binders used in the present invention are water soluble / water dispersible.

用語「水溶性」は、23℃での水溶性が少なくとも1g/Lである物質を意味する。当業者には当然のことながら、本発明のバインダーは、天然源に由来するため、少量の非水溶性不純物などを含み得る。通常、これらは、使用される任意のバインダーの2重量%未満であろう。   The term "water soluble" means a material that is at least 1 g / L water soluble at 23 ° C. It will be appreciated by those skilled in the art that the binders of the present invention may contain minor amounts of water insoluble impurities and the like as they are derived from natural sources. Usually, these will be less than 2% by weight of any binder used.

他の観点から、バインダーは有機バインダーであり、すなわちバインダーは、藻類、甲殻類、菌類などの天然に存在する生物に由来する。従って、複合物の製造中、バインダーは水性形態、例えば、溶液、分散液、懸濁液などで供給される。当然のことながら、少量の有機溶媒及び水、例えば水に対して10重量%未満の有機溶媒なども存在し得る。当該溶媒は、通常、極性であり、例えばアルコールが挙げられる。   From another point of view the binder is an organic binder, ie the binder is derived from naturally occurring organisms such as algae, crustaceans, fungi and the like. Thus, during the preparation of the composite, the binder is supplied in aqueous form, such as a solution, dispersion, suspension, and the like. It will be appreciated that small amounts of organic solvents and water may also be present, such as less than 10% by weight, based on water. The solvent is usually polar and includes, for example, an alcohol.

本発明で使用するバインダーは、PVDF系ではなく、また、NMPにのみに溶解する他のバインダーをベースとするものではない。NMPは揮発性、可燃性、爆発性、生殖毒性物質であり、その使用を避けることが有益であることは明らかである。NMPは、高価でもある。NMPが現在使用されているのは、電極の他の成分のいずれにも影響を与えることなく、PVDFバインダーを十分に溶解することができる唯一の公知の溶媒であるためである。本発明のバインダーは、水を用いて導入され、非水性溶媒ではない。   The binders used in the present invention are not PVDF based and are not based on other binders which only dissolve in NMP. It is clear that NMP is a volatile, flammable, explosive, reproduction toxic substance and it is beneficial to avoid its use. NMP is also expensive. NMP is currently used because it is the only known solvent capable of sufficiently dissolving the PVDF binder without affecting any of the other components of the electrode. The binders of the invention are introduced using water and are not non-aqueous solvents.

従って、水性系バインダーという用語は、本発明の複合物を製造するために使用されるバインダーが、水に可溶性/分散性であることを意味する。当然のことながら、複合物の成分を混合し、スラリーを形成した後キャストし、支持体上にフィルムを形成し、その後乾燥させる。従って、乾燥後の最終複合物は、最小限量の水を含むか又は水を含まない。   Thus, the term aqueous binder means that the binder used to make the composite of the present invention is soluble / dispersible in water. It will be appreciated that the components of the composite are mixed and formed into a slurry and then cast to form a film on a support and then dried. Thus, the final composite after drying contains minimal or no water.

バインダーは、水性組成物中に供給してもよい。バインダーに対する水の相対重量は、2:1〜100:1の範囲内、例えば10:1〜75:1などの範囲内であり得る。水の量は、必要とされるスラリーの特性に応じて広範囲にわたり変動し得る。例えば、スラリーの粘度を高めたい場合、バインダーに添加する溶剤を少なくし、その逆もまた同様である。当然ながら、この比は、当該バインダーの溶解性/分散性によって左右される。   The binder may be provided in an aqueous composition. The relative weight of water to binder may be in the range of 2: 1 to 100: 1, such as in the range of 10: 1 to 75: 1. The amount of water can vary over a wide range depending on the nature of the slurry required. For example, if it is desired to increase the viscosity of the slurry, less solvent is added to the binder and vice versa. Of course, this ratio depends on the solubility / dispersability of the binder.

本発明において使用するバインダーは、好ましくは、オリゴ糖などの糖類又はセルロース系物質などの多糖類をベースとする。従って、バインダーは、水溶性キチン、アルギン酸塩、水溶性キトサンなどであってもよい。好ましいバインダーは、アルギン酸塩又は水溶性キトサン、特にアルギン酸塩、例えばアルギン酸ナトリウムである。当然のことながら、これらのタイプの物質の水性組成物は、膨潤する場合もある。   The binders used in the present invention are preferably based on saccharides such as oligosaccharides or polysaccharides such as cellulosics. Thus, the binder may be water soluble chitin, alginate, water soluble chitosan and the like. Preferred binders are alginates or water-soluble chitosan, in particular alginates, such as sodium alginate. It will be appreciated that aqueous compositions of these types of substances may swell.

アルギン酸バインダーは、アルギン酸塩、アルギン酸、又はアルギン酸の塩であり得る。更に、アルギン酸の塩は、アルギン酸のNa、Li、K、Ca、NH4、Mg又はAlの塩であり得る。アルギン酸塩含有組成物の分子量は、約10,000〜約600,000であり得る。 The alginate binder may be alginate, alginic acid, or a salt of alginic acid. Furthermore, the salt of alginic acid may be a salt of Na, Li, K, Ca, NH 4 , Mg or Al of alginic acid. The molecular weight of the alginate containing composition may be from about 10,000 to about 600,000.

アルギン酸塩は、藻類から得られるため、アルギン酸塩の使用が特に好ましい。更に、珪藻上のカーボンコーティングは、デンプンなどの糖構造に由来することが多い。これは、その2つの成分が、本質的に適合性があることを意味する。アノードが機能するためには、バインダーが炭素被覆珪藻の表面を湿潤させ、バインダー物質と炭素被覆珪藻との本質的な適合性により湿潤が最大化されることが重要である。   The use of alginate is particularly preferred as alginate is obtained from algae. Furthermore, the carbon coatings on diatoms are often derived from sugar structures such as starch. This means that the two components are inherently compatible. In order for the anode to function, it is important that the binder wet the surface of the carbon coated diatom and that wetting be maximized by the intrinsic compatibility of the binder material with the carbon coated diatom.

本発明の水性バインダーは、無毒で、環境に優しく、且つ、例えば、サイクル特性、安定性、寿命及び速度性能の点で優れた特性を示す。このバインダーはまた、SEIの劣化を防止するための理想的なサポートを提供し得る。   The aqueous binder of the present invention is non-toxic, environmentally friendly and exhibits excellent properties, for example, in terms of cycle characteristics, stability, life and rate performance. This binder can also provide an ideal support to prevent SEI degradation.

さらなる実施形態において、バインダーの性能を最大化するために、カーボンナノチューブ(CNT)、他の形態の導電性炭素添加剤又は炭素を含まない他の導電性添加剤をバインダーに添加することが可能である。これらは、バインダーの30重量%まで、例えば5〜20重量%(乾燥重量で算出)を成してもよい。   In a further embodiment, it is possible to add carbon nanotubes (CNTs), other forms of conductive carbon additives or other carbon-free conductive additives to the binder in order to maximize the performance of the binder. is there. These may comprise up to 30% by weight of the binder, for example 5 to 20% by weight (calculated on dry weight).

アルギン酸塩とCNTとの組み合わせが特に好ましく、この組み合わせは、LIB中のバインダー用の新しい材料を形成する。これは、本発明の更なる態様を成す。よって、本発明は、別の態様において、アルギン酸塩及びカーボンナノチューブを含むLIBにおける使用に好適なバインダーを提供する。   Particularly preferred is the combination of alginate and CNT, which combination forms a new material for the binder in LIB. This forms a further aspect of the invention. Thus, the present invention provides, in another aspect, a binder suitable for use in LIBs comprising alginate and carbon nanotubes.

<導電性フィラー>

本発明のアノードはまた、通常微粒子状で、カーボンブラックなどの導電性フィラーも含有する。任意の導電性フィラーが使用され得るが、このフィラーは、通常、カーボンナノチューブ又は好ましくはカーボンブラックなどの炭素質である。カーボンブラックは導電体であり、シリカ被殻間及びシリカ被殻と集電体との間に導電性経路を設けることにより、複合電極の導電性を高めるために使用される。
<Conductive filler>

The anode of the present invention is also generally particulate and also contains a conductive filler such as carbon black. Although any conductive filler may be used, the filler is usually carbonaceous such as carbon nanotubes or preferably carbon black. Carbon black is a conductor and is used to enhance the conductivity of the composite electrode by providing a conductive path between the silica shell and between the silica shell and the current collector.

本発明のカーボンブラックは、ASTM D 3849−95a、分散手順Dに記載の透過型電子顕微鏡を用いて測定した場合、算術平均一次粒径は、少なくとも20ナノメートル、最大70ナノメートルであり得る。   The carbon black of the present invention, as measured using transmission electron microscopy as described in ASTM D 3849-95a, Dispersion Procedure D, may have an arithmetic average primary particle size of at least 20 nanometers and up to 70 nanometers.

さらに好ましくは、本発明の当該カーボンブラックは、ASTM D 2414−06aに従って測定した場合、80〜300cm3/100g、好ましくは180cm3/100g未満のDBP(フタル酸ジブチル)吸収数を有する。 More preferably, the carbon blacks of the present invention, when measured according to ASTM D 2414-06a, 80~300cm 3 / 100g , preferably has a 180cm 3/100 g of less than DBP (dibutyl phthalate) Number of absorption.

本発明のカーボンブラックの非限定的な例は、例えば、「ASTM Nxxx」コードで表示されるカーボンブラックグレード、例えばティムカル(Timcal)社により供給されているエンサコブラック(Ensaco black)、ティムカル(Timcal)アセチレンブラック、ファーネスブラック及びケッチェンブラックなどである。好ましいカーボンブラックは、例えばティムカル(Timcal)社により供給されているエンサコブラック(Ensaco black)、ファーネスカーボンブラックである。   Non-limiting examples of the carbon black of the present invention are, for example, carbon black grades indicated by "ASTM Nxxx" code, such as Ensaco black, supplied by Timcal, Timcal (Timcal). And the like) acetylene black, furnace black and ketjen black. Preferred carbon blacks are, for example, Ensaco black, furnace carbon black supplied by the company Timcal.

ASTM D 4820−99(BET、N2吸着)に従って測定した場合、カーボンブラック(CB)の表面積は、最高80m2/gであり得る。理想的な表面積は、30〜80g/m2である。 The surface area of the carbon black (CB) can be up to 80 m 2 / g, as measured according to ASTM D 4820-99 (BET, N 2 adsorption). The ideal surface area is 30-80 g / m 2 .

焼成された炭素被覆珪藻、バインダー及びカーボンブラック粒子などのフィラーを混合したものを、本明細書において複合物と呼ぶ。更に後述するように、この複合物を使用しアノードを形成する。   Mixtures of calcined carbon-coated diatoms, fillers such as binders and carbon black particles are referred to herein as composites. This composite is used to form an anode, as described further below.

本発明の複合物中に存在するカーボンブラックなどのフィラーの量は、好ましくは15〜50重量%、例えば25〜45重量%など、特に30〜40重量%(乾燥重量)である。   The amount of filler, such as carbon black, present in the composite of the present invention is preferably 15 to 50% by weight, such as 25 to 45% by weight, in particular 30 to 40% by weight (dry weight).

複合物中に存在するバインダーの量(バインダーという用語は、乾燥したバインダー全体の重量を指し、例えば、存在する場合には全てのCNTを含む)は、2.5〜30重量%、例えば5.0〜25重量%など、特に7.5〜20重量%である。   The amount of binder present in the composite (the term binder refers to the weight of the total dried binder, eg including all CNTs when present) is 2.5 to 30% by weight, eg 5. Such as 0-25% by weight, in particular 7.5-20% by weight.

複合物(カーボンコーティングが珪藻の一部を成す)中に存在する珪藻の量は、30〜80重量%、例えば35〜70重量%など、特に40〜60重量%(乾燥重量)である。   The amount of diatoms present in the composite (the carbon coating forms part of the diatoms) is 30 to 80% by weight, such as 35 to 70% by weight, in particular 40 to 60% by weight (dry weight).

使用されている用語「乾燥重量」は、パーセントは、水分の不在に基づくものであることを意味する。存在する水分は無視する。   The term "dry weight" being used means that the percentage is based on the absence of moisture. Ignore the water present.

<方法>
本発明のアノードを製造するためには、珪藻源が必要である。珪藻は、海洋などの任意の供給源から採取できる。本発明の複合物を製造するために使用する前に、珪藻を浄化又は洗浄することが好ましい。採取した珪藻を乾燥させ、浄化し、再び乾燥させるか、又は以下の手順に従って単に浄化し、乾燥させることが可能である。いずれのプロセスも効果的である。しかしながら、後述するように、浄化プロセスは性能にとって非常に重要である。焼成の前に珪藻を適切に浄化しなければ、全体の容量低下につながる。
<Method>
In order to manufacture the anode of the present invention, a diatom source is required. Diatoms can be collected from any source, such as the ocean. It is preferred to clean or wash the diatoms prior to use to produce the composite of the present invention. The collected diatoms can be dried, clarified and dried again or simply cleaned and dried according to the following procedure. Both processes are effective. However, as discussed below, the purification process is very important to performance. If the diatoms are not properly cleaned prior to firing, this leads to a reduction in overall capacity.

従って、一実施形態においては、珪藻源をまず乾燥させる。任意の乾燥条件を使用することができ、例えば、減圧、昇温などが挙げられる。理想的には、珪藻を水の沸点を超える温度にし、水を除去する。しかしながら、その温度は、珪藻が破壊されるほど高くない又は珪藻に自然に存在する炭素が破壊されるほど高くない。115〜150℃など、110〜200℃の範囲が適切である。   Thus, in one embodiment, the diatom source is first dried. Any drying conditions can be used, including, for example, reduced pressure, elevated temperature, and the like. Ideally, the diatoms are brought to a temperature above the boiling point of water to remove the water. However, the temperature is not high enough to destroy diatoms or high enough to destroy naturally occurring carbon in diatoms. A range of 110 to 200 ° C., such as 115 to 150 ° C., is suitable.

乾燥後又は採取後、使用されるプロセスによっては、珪藻がよく洗浄されていることが好ましい。驚くべきことに、海水中に存在するため採取した珪藻中に存在する塩は、アノードが理想的に機能することを妨げることが分かっている。よく洗浄することにより、これらの塩が除去されるため、重要な工程である。従って、洗浄工程は、塩化ナトリウム又はKClなどの金属塩を除去するものであり、これらの塩を除去する一方で、珪藻に損傷を与えない任意のプロセスが好適である。   After drying or harvesting, it is preferred that the diatoms be well washed, depending on the process used. Surprisingly, it has been found that the salt present in the collected diatom as it is present in seawater prevents the anode from functioning ideally. It is an important step as well cleaning removes these salts. Thus, the washing step removes metal salts such as sodium chloride or KCl, and any process that does not damage diatoms while removing these salts is suitable.

例えば、希酸中で洗浄してもよい。水の中で洗浄することも可能であり、例えば、水の中で繰り返し洗浄する。   For example, it may be washed in dilute acid. It is also possible to wash in water, for example repeatedly in water.

好ましい実施形態において、存在する水の量は、珪藻:水(重量%)が1:50〜1:150、例えば1:70〜1:100などである。最初に混合した後、水の温度を、水の沸点よりも僅かに低い温度、例えば最高90℃まで上昇させることが好ましい。温度は、水の沸点を超えるが150℃未満、例えば還流下で115〜140℃に上昇させることができる。その材料を、一定時間、例えば2時間、沸騰直前で還流/保持することができる。その後、この材料の温度を、沸点より低い温度、例えば、50〜90℃まで低下させる。この材料は、この温度で長時間、例えば4時間保持することができる。   In a preferred embodiment, the amount of water present is: diatoms: water (wt%) 1:50 to 1: 150, such as 1:70 to 1: 100. After initial mixing, it is preferred to raise the temperature of the water to a temperature slightly below the boiling point of water, eg up to 90 ° C. The temperature can be raised above the boiling point of water but below 150 ° C., for example to 115-140 ° C. under reflux. The material can be refluxed / held just prior to boiling for a period of time, for example 2 hours. The temperature of the material is then reduced to a temperature below the boiling point, for example 50-90 ° C. This material can be held at this temperature for an extended period of time, for example 4 hours.

次いで、材料をふるいにかけて、水中でもう一度洗浄し、次に再度流水で洗浄してもよい。その後、全手順を繰り返してもよい。   The material may then be sieved and washed once more in water and then again in running water. The entire procedure may then be repeated.

洗浄手順の完了後、得られた珪藻生成物を乾燥させる。浄化し乾燥させた珪藻は、KCl及びNaClなどの金属塩の含有量がはるかに減少している。浄化前、珪藻の金属塩含有量は、1.5重量%を超える場合もあるが、浄化した材料の金属塩含有量は、好ましくは1重量%未満、理想的には0.5重量%未満、特に0.1重量%未満である。存在する最も豊富な塩は、KCl及びNaClである。より具体的には、浄化された材料のKCl及びNaCl塩の合計含有量は、好ましくは、1重量%未満、理想的には0.5重量%未満、特に0.1重量%未満である。理想的には、珪藻は、金属塩、特にKCl及びNaClを含まない。「含まない」とは、これら物質のピークが、XRDで見られないことを意味する。   After completion of the washing procedure, the resulting diatom product is dried. The purified and dried diatoms have a much reduced content of metal salts such as KCl and NaCl. Before purification, the metal salt content of diatoms may exceed 1.5% by weight, but the metal salt content of the purified material is preferably less than 1% by weight, ideally less than 0.5% by weight , In particular less than 0.1% by weight. The most abundant salts present are KCl and NaCl. More specifically, the total content of KCl and NaCl salt of the purified material is preferably less than 1% by weight, ideally less than 0.5% by weight, in particular less than 0.1% by weight. Ideally, diatoms do not contain metal salts, in particular KCl and NaCl. "Not included" means that the peaks of these substances are not seen in XRD.

この段階で、珪藻に自然に含まれている炭素が除去されていない場合、例えば、外部の炭素源を添加していない場合、乾燥させ洗浄した珪藻材料を焼成することが好ましい。焼成は、好ましくは400〜800℃、例えば500〜750℃など、理想的には550〜700℃、例えば約600℃又は650℃などの温度で行う。焼成処理は、不活性雰囲気、すなわち酸化反応を防止するために酸素を含まない雰囲気下で行う。窒素又は希ガス、例えばArなどの任意の不活性媒体を使用してもよい。   If the carbon naturally contained in diatoms is not removed at this stage, for example, if no external carbon source is added, it is preferable to bake the dried and washed diatom material. The calcination is preferably performed at a temperature such as 400-800 ° C., such as 500-750 ° C., ideally 550-700 ° C., such as about 600 ° C. or 650 ° C. The baking treatment is performed in an inert atmosphere, that is, an atmosphere containing no oxygen in order to prevent an oxidation reaction. Any inert medium such as nitrogen or a noble gas such as Ar may be used.

焼成温度が高すぎる場合、被殻のナノ構造が破壊される可能性がある。焼成温度が低すぎる場合、炭素源は、珪藻上にコーティングを形成しないであろう。   If the firing temperature is too high, it may be possible to destroy the crustal nanostructure. If the firing temperature is too low, the carbon source will not form a coating on the diatoms.

この段階で、珪藻を外部の炭素源と混合し、焼成処理を行うことも可能である。以下に炭素源の添加について説明し、この段階での炭素源の添加にも全く同じ原則が適用される。   At this stage, it is also possible to mix diatoms with an external carbon source and carry out a baking treatment. The following describes the addition of the carbon source, and the same principle applies to the addition of the carbon source at this stage.

焼成後、得られる材料は、多孔質二酸化ケイ素構造体、例えば、炭素、理想的には非晶質炭素で被覆されたナノ多孔質二酸化ケイ素構造体である。   After firing, the resulting material is a porous silicon dioxide structure, eg, a nanoporous silicon dioxide structure coated with carbon, ideally amorphous carbon.

別の実施形態では、自然に存在する任意の炭素を珪藻から除去することができる。これにより、存在する炭素は添加されたものだけとなるため、最終材料中の炭素含有量をかなり良好に制御することが可能となる。珪藻の浄化後、焼成するのではなく、酸素の存在下で珪藻を焼くのが好ましい。この焼く工程の温度は、好ましくは焼成温度と同じであり、例えば400〜800℃、例として500〜700℃など、理想的には約600℃である。酸素の存在下で、存在する任意の炭素源、例えば、プランクトンは破壊され、多孔質二酸化ケイ素珪藻の上層構造のみが残る。   In another embodiment, any naturally occurring carbon can be removed from diatoms. This makes it possible to control the carbon content in the final material fairly well, since only the carbon present is added. After purification of the diatoms, it is preferable to bake the diatoms in the presence of oxygen rather than firing. The temperature of this baking step is preferably the same as the baking temperature, for example 400-800 ° C., such as 500-700 ° C. as an example, ideally about 600 ° C. In the presence of oxygen, any carbon source present, such as plankton, is destroyed leaving only the upper layer structure of porous silicon dioxide diatoms.

この時点で、外部炭素源を添加することができる。任意の炭素源を使用し得るが、理想的には、炭素源は、糖類、オリゴ糖又は多糖類である。従って、炭素源は、C、H及びOの原子のみを含み得る。例えば、デンプン系生成物などのセルロース系物質が好適である。炭素源は、単独で添加、又は水などの溶媒中に添加することができる。従って、水性炭素源を焼かれた珪藻に添加し、炭素源を供給することができ、これが、後の焼成工程中、珪藻上の所望のカーボンコーティングになる。よって、炭素源が供給された後、珪藻/炭素源を上記の如く焼成する。   At this point, an external carbon source can be added. Although any carbon source may be used, ideally the carbon source is a saccharide, an oligosaccharide or a polysaccharide. Thus, the carbon source may contain only C, H and O atoms. For example, cellulosic materials such as starch based products are suitable. The carbon source can be added alone or in a solvent such as water. Thus, an aqueous carbon source can be added to the baked diatoms to provide a carbon source, which will be the desired carbon coating on the diatoms during the subsequent firing step. Thus, after the carbon source is supplied, the diatom / carbon source is calcined as described above.

焼成工程により、多孔質炭素被覆珪藻構造体が生じる。さらなる選択肢として、炭素の外部供給源と珪藻中に本来存在する炭素の両方を使用することが可能である。従って、炭素源は、浄化工程の後であって焼成の前に添加してもよい。   The firing step produces a porous carbon coated diatomaceous structure. As a further option, it is possible to use both an external source of carbon and carbon originally present in diatoms. Thus, a carbon source may be added after the purification step and before calcination.

注目すべきは、珪藻上のカーボンコーティングの厚さは、存在する炭素源の量を変化させることで調整できることである。外部炭素源の量が多い程、コーティングはより厚くなる。炭素含有量が、珪藻と炭素源の総重量で、珪藻/コーティング構造体の10〜35重量%、好ましくは15〜25重量%、理想的には17〜22重量%の炭素であることが好ましい。   It should be noted that the thickness of the carbon coating on diatoms can be adjusted by varying the amount of carbon source present. The greater the amount of external carbon source, the thicker the coating. Preferably, the carbon content is 10 to 35% by weight, preferably 15 to 25% by weight and ideally 17 to 22% by weight carbon of the diatom / coating structure, based on the total weight of diatoms and carbon source .

図1は、本発明の炭素被覆珪藻の製造に好適な本発明の方法を示す2つの非限定プロセス図を含む。   FIG. 1 contains two non-limiting process diagrams illustrating the process of the present invention suitable for the production of carbon coated diatoms of the present invention.

従って、本発明は、別の態様において、
(i)珪藻源を、例えば、海洋から調達し、任意に前記珪藻を乾燥させることと、
(ii)前記珪藻を洗浄し、任意に、洗浄した珪藻を乾燥させることと、
(iii)不活性雰囲気下、400〜800℃の温度で、工程(ii)の生成物を焼成することと
を含む、多孔質炭素被覆二酸化ケイ素ネットワークの製造方法を提供する。
Thus, in another aspect, the present invention
(I) procuring a diatom source, for example, from the ocean, and optionally drying the diatom;
(Ii) washing the diatoms and optionally drying the washed diatoms;
And (iii) calcining the product of step (ii) under an inert atmosphere at a temperature of 400-800 ° C. to provide a method of making a porous carbon-coated silicon dioxide network.

場合によって、工程(ii)の後に外部炭素源を添加することができる。   Optionally, an external carbon source can be added after step (ii).

本発明は、別の態様において、
(i)珪藻源を、例えば、海洋から調達し、任意に前記珪藻を乾燥させることと、
(ii)前記珪藻を浄化し、任意に、浄化した珪藻を乾燥させることと、
(iii)工程(ii)の珪藻を、酸素含有雰囲気下、400〜800℃の温度で焼くことと、
(iv)工程(iii)の焼いた珪藻に炭素源を添加することと、
(v)工程(iv)の生成物を、不活性雰囲気下、400〜800℃の温度で焼成することと
を含む、多孔質炭素被覆二酸化ケイ素ネットワークの製造方法を提供する。
The invention, in another aspect, comprises
(I) procuring a diatom source, for example, from the ocean, and optionally drying the diatom;
(Ii) purifying the diatoms and optionally drying the purified diatoms;
(Iii) Baking the diatom of step (ii) at a temperature of 400 to 800 ° C. in an atmosphere containing oxygen,
(Iv) adding a carbon source to the baked diatoms of step (iii);
(V) calcining the product of step (iv) at a temperature of 400-800 ° C. under an inert atmosphere, to provide a method of making a porous carbon-coated silicon dioxide network.

炭素被覆珪藻を調製した後、フィラー、例えば、カーボンブラック及びバインダーと混合し複合物を形成することができる。その成分は、理想的には水中で混合されスラリーを形成する。スラリーは、支持体、例えば集電体(例としては、Cu)などの上にテープキャストすることができる。形成するフィルムの厚さは、調節し、対象となる電池の必要性に適合するようにすることができるが、その厚さは、通常、50〜60μmなど、10〜100ミクロンである。他の観点から、支持体上の担持量は、1〜15mg/cm2、好ましくは1〜10mg/cm2であり得る。乾燥後、この材料は、本発明の電池のアノードとしての使用に好適である。 Once the carbon coated diatoms are prepared, they can be mixed with a filler such as carbon black and a binder to form a composite. The components are ideally mixed in water to form a slurry. The slurry can be tape cast onto a support, such as a current collector (eg, Cu). The thickness of the film to be formed can be adjusted and adapted to the needs of the cell in question, but its thickness is usually 10 to 100 microns, such as 50 to 60 μm. From another viewpoint, the supported amount on the support, 1-15 mg / cm 2, preferably may be 1-10 mg / cm 2. After drying, this material is suitable for use as the anode of the cell of the invention.

従って、本発明は、Liイオン電池におけるアノードとしての本発明の複合物の使用と、上述の複合物を含むLiイオン電池とに関する。   Accordingly, the present invention relates to the use of the composite of the present invention as an anode in a Li-ion battery and to a Li-ion battery comprising the above-described composite.

本発明の複合物をアノードとして用いるリチウムイオン電池は、他の点では従来のものである。それらは、周知の如く、カソードと電解質、セパレータと集電体を含む。使用する電解質はLiPF6を含む。カソードは、好ましくは、Li含有遷移金属酸化物である。LiNi1/3Mn1/3Co1/32(NMC−111)、LiCoO2(LCO)、LiNi0.8Co0.15Al0.052(NCA)及びLiFePO4(LFP)等のLi系化合物を、正極(カソード)として使用することができる。高分子膜、例えばポリプロピレン膜等を、セパレータ等として用いることが好ましい。これら電池の他の従来の特徴についての更なる考察は必要ではない。 Lithium ion batteries using the composite of the invention as the anode are otherwise conventional. They include, as is known, a cathode and an electrolyte, a separator and a current collector. Electrolyte used comprises LiPF 6. The cathode is preferably a Li-containing transition metal oxide. Li-based compounds such as LiNi 1/3 Mn 1/3 Co 1/3 O 2 (NMC-111), LiCoO 2 (LCO), LiNi 0.8 Co 0.15 Al 0.05 O 2 (NCA) and LiFePO 4 (LFP), It can be used as a positive electrode (cathode). It is preferable to use a polymer membrane, such as a polypropylene membrane, as a separator or the like. Further discussion of other conventional features of these batteries is not necessary.

本発明のさらなる利点は、時間とともに、珪藻の焼成により得られる多孔質二酸化ケイ素ネットワークの一部がSiに還元されることである。上記のように、Siは、その理論性能が非常に優れているため、Liイオン電池の非常に興味深いアノード材料である。しかしながら、イオンを吸収すると非常に大きな膨張の問題が生じる。本発明では、前記電池が使用され、充放電サイクルが繰り返されるにつれて、シリカはゆっくりとSiに還元される。時間の経過と共に形成されるSiの量が比較的少ない(おそらく、全シリカ含有量の12重量%未満)ことと、二酸化ケイ素ネットワークの多孔質構造とにより、本発明のアノードは、結果として生じる少量の膨張に対処できる。従って、Siを含有することにより、優れた性能を有する一方で、現在のSiアノードの解決策を困難にする膨張問題を回避するアノードとなる。   A further advantage of the present invention is that over time, part of the porous silicon dioxide network obtained by calcination of diatoms is reduced to Si. As mentioned above, Si is a very interesting anode material for Li-ion batteries because of its very good theoretical performance. However, absorption of ions leads to very large expansion problems. In the present invention, the silica is slowly reduced to Si as the battery is used and charge and discharge cycles are repeated. Due to the relatively low amount of Si formed over time (possibly less than 12% by weight of the total silica content) and the porous structure of the silicon dioxide network, the anode of the invention results in a small amount Can cope with the expansion of Thus, the inclusion of Si provides an anode that has excellent performance while avoiding expansion problems that make current Si anode solutions difficult.

本発明の電池は、容量の点で価値ある特性を示す。容量は、電池が供給できる充電量であり、mAh/gと表される。本発明の電池は、50サイクルの充放電後、少なくとも700mAh/g、好ましくは少なくとも800mAh/gの容量を有し得る。これらの値は、0〜2.5Vの印加電圧窓で測定される。   The battery of the invention exhibits valuable properties in terms of capacity. The capacity is the amount of charge that the battery can supply, and is expressed as mAh / g. The battery of the present invention may have a capacity of at least 700 mAh / g, preferably at least 800 mAh / g, after 50 cycles of charge and discharge. These values are measured with an applied voltage window of 0-2.5V.

経時的に(例えば、少なくとも100サイクルまで)容量の損失が見られないことは、本発明の電池の重要な特性である。サイクルを繰り返した後、2%未満の低下が観察される。好ましくは、限定量のSiが形成されることにより、性能の向上が観察される。   The absence of a loss of capacity over time (e.g., up to at least 100 cycles) is an important characteristic of the batteries of the present invention. After repeating the cycle, a reduction of less than 2% is observed. Preferably, an improvement in performance is observed by forming a limited amount of Si.

以下の非限定的な実施例及び図面を参照して本発明を説明する。   The invention will now be described with reference to the following non-limiting examples and figures.

図1は、本発明の組成物の製造のフローチャートを示す。
図2は、珪藻のX線回折パターンを示す。(a)浄化工程なしで、アルゴン雰囲気中600℃で焼成、(b)浄化工程なしで、アルゴン雰囲気中1000℃で焼成、(c)洗浄工程後、空気中650℃で焼成、及び(d)洗浄工程後、アルゴン中600℃で焼成。
図3は、炭素被覆珪藻(SiO2−C)のTG曲線を示す。
図4は、焼成後の珪藻の残留炭素含有量と添加したデンプン含有量との関係を示す。
図5は、炭素被覆珪藻(SiO2−C)のFESEM画像を示す。
図6に、水銀圧入ポロシメトリー(MIP)を用いて測定した炭素被覆珪藻複合物(SiO2−C)の細孔径分布及び細孔表面積を示す。図7は、600℃で2時間空気中で焼成し、且つ、洗浄し、600℃で2時間アルゴン中で焼成した炭素被覆珪藻(SiO2−C)を焼成した後の、洗浄した珪藻の微細孔/外表面を含むBET表面積を示す。
図8は、第1、第2、第25及び第50サイクルにおける炭素被覆珪藻ベースのアノード(SiO2−C)の定電流充/放電プロファイルを示す。
図9は、炭素被覆珪藻ベースのアノード(SiO2−C)のサイクル数の関数として、50mA/g及び100mA/gの電流密度での不可逆容量のパーセント及び比容量を示す。
図10は、第1、第25及び第50サイクルにおける炭素被覆珪藻ベースのアノード(SiO2−C)の微分容量プロットを示す。
図11は、様々な電位窓を用いて中程度に高い電流密度(100mA/g)で市販のグラファイトアノードと炭素被覆珪藻ベースのアノード(SiO2−C)の比容量に関する比較を示す。
図12は、異なる電流密度(100、200、500、1000mA/g)における炭素被覆珪藻ベースのアノード(SiO2−C)の定電流充/放電比容量を示す。
図13は、電圧窓(0〜2.5V)を用いて、低電流密度(20mA/g)で異なる量のデンプン源(0、35及び80重量%)からカーボンコーティングが得られる炭素被覆珪藻ベースのアノードの比容量に関する比較を示す。
図14は、アノード比容量(CA)の関数としてLiイオン電池の総比容量を示す。比容量が100、150及び200mAh/gのカソードを考察している。
図15は、珪藻ベースのアノード(SiO2−C)とグラファイトアノードを用いた場合の式1に基づくLiイオン電池の総比容量の比較を示し、(a)グラファイトの理論比容量(372mAh/g)を考察するものと、(b)100mA/gの電流密度での実験的に測定したグラファイトの比容量(80mAh/g)を用いたものである。いずれの場合(図15a及び図15b)も、電流密度100mA/gでの実験的に測定した珪藻ベースのアノード(SiO2−C)の比容量(850mAh/g)が使用されている。
図16は、(a)異なる電流密度(100、200、500、1000mA/g)でのグラフェン系アノードの定電流充/放電比容量と、(b)100mA/gの電流密度での、グラフェン(225mAh/g)及び珪藻ベースのアノード(SiO2−C)(850mAh/g)の実験的に測定された比容量を用いて式1に基づくLiイオン電池の総比容量の比較を示す。
FIG. 1 shows a flow chart of the preparation of the composition of the invention.
FIG. 2 shows the X-ray diffraction pattern of diatoms. (A) Baking at 600 ° C. in argon atmosphere without purification step, (b) Baking at 1000 ° C. in argon atmosphere without purification step, (c) Baking at 650 ° C. in air after washing step, and (d) After the washing step, bake at 600 ° C. in argon.
FIG. 3 shows a TG curve of carbon-coated diatom (SiO 2 -C).
FIG. 4 shows the relationship between the residual carbon content of diatoms after calcination and the added starch content.
FIG. 5 shows FESEM images of carbon coated diatoms (SiO 2 -C).
FIG. 6 shows the pore size distribution and pore surface area of carbon-coated diatom complex (SiO 2 -C) measured by mercury intrusion porosimetry (MIP). FIG. 7 shows the fines of washed diatoms after firing in air at 600 ° C. for 2 hours and washing, and after firing carbon-coated diatoms (SiO 2 -C) calcined in argon for 2 hours at 600 ° C. 7 shows BET surface area including pores / outer surface.
FIG. 8 shows constant current charge / discharge profiles of carbon-coated diatom-based anodes (SiO 2 -C) in the first, second, twenty-fifth and fifty-fifth cycles.
FIG. 9 shows the percent irreversible capacity and specific capacity at current densities of 50 mA / g and 100 mA / g as a function of cycle number for carbon-coated diatom-based anodes (SiO 2 -C).
FIG. 10 shows the differential capacity plots of the carbon-coated diatom-based anode (SiO 2 -C) at cycles 1, 25 and 50.
FIG. 11 shows a comparison of the specific capacities of a commercial graphite anode and a carbon-coated diatom-based anode (SiO 2 -C) at moderately high current densities (100 mA / g) using various potential windows.
FIG. 12 shows the constant current charge / discharge specific capacity of carbon coated diatom based anodes (SiO 2 -C) at different current densities (100, 200, 500, 1000 mA / g).
FIG. 13 shows a carbon-coated diatom base based on carbon coatings obtained from different amounts of starch sources (0, 35 and 80 wt%) at low current densities (20 mA / g) using voltage windows (0 to 2.5 V) A comparison of the specific capacity of the anode of
FIG. 14 shows the total specific capacity of Li-ion batteries as a function of anode specific capacity (C A ). Consider cathodes with specific capacities of 100, 150 and 200 mAh / g.
FIG. 15 shows a comparison of the total specific capacity of Li-ion batteries based on Equation 1 with diatom-based anode (SiO 2 -C) and graphite anode, (a) theoretical specific capacity of graphite (372 mAh / g And (b) using the experimentally measured specific capacity of graphite (80 mAh / g) at a current density of 100 mA / g. Cases (FIGS. 15a and FIG. 15b) is also the specific capacity of the current density experimentally measured diatom based anode at 100mA / g (SiO 2 -C) (850mAh / g) is used.
FIG. 16 shows (a) constant current charge / discharge specific capacity of a graphene-based anode at different current densities (100, 200, 500, 1000 mA / g) and (b) graphene (at 100 mA / g current density) 225 mAh / g) and a comparison of total specific capacity of Li-ion batteries based on equation 1 using the experimentally measured ratio volume of diatom based anode (SiO 2 -C) (850mAh / g).

[実施例]
[実施例1]
<SiO2−C複合物(カーボンコーティングを有する多孔質二酸化ケイ素ネットワーク)の調製>
2つの異なる経路を用いて珪藻ベースのアノードを調製した(図1参照)。経路1では、珪藻中に存在する有機物を利用して珪藻を被覆し、炭素被覆SiO2複合物を調製した。経路2では、プロセス中に珪藻を被覆する炭素の供給源として、デンプンを使用した。両経路の調製手順を、以下詳細に説明する。
[Example]
Example 1
Preparation of SiO 2 -C Composite (Porous Silicon Dioxide Network with Carbon Coating)
Diatom-based anodes were prepared using two different routes (see FIG. 1). In Route 1, the organic matter present in the diatoms was used to coat the diatoms to prepare a carbon-coated SiO 2 composite. In Route 2, starch was used as a source of carbon to coat diatoms during the process. The preparation procedure for both routes is described in detail below.

経路1:珪藻は、被殻と呼ばれるシリカ(SiO2)の細胞壁を成長させる藻類の主要な群であり、Planktonik Asによりノルウェー海北部から採取された。これらの被殻(主にSiO2)は、天然のナノ構造の多孔質材料を提供する。入手したままの珪藻を、120℃で36時間乾燥させた。その後、乾燥させた珪藻を浄化し(手順は後述)、存在する様々な種類の塩を除去した。次いで、珪藻をアルゴン雰囲気中600℃で2時間焼成した。珪藻中に存在する有機物が、炭素源として働き、珪藻上に炭素のコーティングを提供した。処理された炭素被覆SiO2複合物は、SiO2−Cと示す。 Route 1: Diatoms are a major group of algae that grow the cell wall of silica (SiO 2 ), called the putamen, and were collected from the northern Norwegian Sea by Planktonik As. These putamen (mainly SiO 2 ) provide natural nanostructured porous materials. The as-received diatoms were dried at 120 ° C. for 36 hours. The dried diatoms were then clarified (procedure described below) to remove various types of salts present. The diatoms were then calcined at 600 ° C. for 2 hours in an argon atmosphere. The organics present in the diatoms served as a carbon source to provide a coating of carbon on the diatoms. The treated carbon-coated SiO 2 composite is denoted as SiO 2 -C.

[実施例2]
経路2:浄化した珪藻サンプルを、合成空気中2時間高温(600℃)で焼く経路2を使用し、別のバッチの複合物を調製した。この工程では、珪藻に存在する全ての有機物が分解され、SiO2系多孔質構造体が残った。その後、このナノ構造の多孔質珪藻(主にSiO2)を、炭素源としての35〜80重量%のトウモロコシデンプンと混合し、アルゴン充填不活性雰囲気中650℃で2時間熱処理した。この経路に従い処理されたサンプルは、炭素で被覆されたナノ構造の多孔質SiO2であり、コーティングの厚さ及び量は、炭素源として混合されたトウモロコシデンプンの量によって決まる。焼成と焼くことはいずれも、水平管炉(Carbolite Ltd.、シェフィールド(Sheffield)、英国)を用いて行った。処理された炭素被覆SiO2複合物は、SiO2−C(Stxx)と示す。SiO2−C複合物と混合されたデンプンのパーセンテージは、Stxxのxxの場所に記載される(例えば、50重量%のデンプンが添加された複合物は、SiO2−C(St50)と示される)。
Example 2
Route 2: A clean diatom sample was baked at high temperature (600 ° C.) for 2 hours in synthetic air using Route 2 to prepare another batch of composite. In this step, all the organic substances present in the diatoms were decomposed, and the SiO 2 -based porous structure remained. This nanostructured porous diatom (mainly SiO 2 ) was then mixed with 35-80 wt% corn starch as a carbon source and heat treated at 650 ° C. for 2 hours in an argon-filled inert atmosphere. The sample treated according to this route is carbon-coated nanostructured porous SiO 2 , and the thickness and amount of the coating depend on the amount of corn starch mixed as a carbon source. Both baking and baking were performed using a horizontal tube furnace (Carbolite Ltd., Sheffield, UK). The treated carbon-coated SiO 2 composite shows the SiO 2 -C (Stxx). The percentage of starch mixed with the SiO 2 -C complex is described in the location of xx in Stxx (for example, a composite to which 50% by weight of starch has been added is indicated as SiO 2 -C (St 50) ).

[実施例3]
<珪藻浄化手順>
乾燥させた珪藻をすすぎ、室温で大量の脱イオン水に入れ、珪藻と水との重量比を1:70〜1:100に維持した。400〜500rpmで2時間撹拌しながら、水の温度を90℃まで上昇させた。同じ攪拌速度で撹拌しながら、水の温度を4時間で80℃まで下げた。メッシュサイズ32〜63μmのふるいを用いてその熱水を排水した。新しい脱イオン水をサンプルに添加し、重量比を1:50に保ち、0.5時間超音波処理した。次いで、珪藻を流水下で5〜10分間洗浄した。その後、このプロセスを繰り返した。洗浄後、サンプルを乾燥炉において90℃で24時間乾燥させた。水を除去した後、サンプルを150℃で18時間真空乾燥させた。これらの浄化された珪藻を、さらなる処理に用い、ナノ構造のSiO2系アノードを調製する。
[Example 3]
<Diatom purification procedure>
The dried diatoms were rinsed and placed in a large amount of deionized water at room temperature to maintain a weight ratio of diatoms to water of 1:70 to 1: 100. The temperature of the water was raised to 90 ° C. while stirring at 400-500 rpm for 2 hours. The temperature of the water was lowered to 80 ° C. in 4 hours while stirring at the same stirring speed. The hot water was drained using a sieve with a mesh size of 32-63 μm. Fresh deionized water was added to the sample, keeping the weight ratio 1:50, and sonicating for 0.5 hours. The diatoms were then washed under running water for 5-10 minutes. Then this process was repeated. After washing, the sample was dried at 90 ° C. for 24 hours in a drying oven. After removing the water, the sample was vacuum dried at 150 ° C. for 18 hours. These purified diatoms are used for further processing to prepare nanostructured SiO 2 -based anodes.

[実施例4]
<アルギン酸ナトリウム系水性バインダーの調製>
アルギン酸バインダーは、褐藻類の細胞壁から抽出されたアルギン酸のナトリウム塩(Na−Alg)から作られる。Na−Alg(重量、g)、脱イオン水(体積、ml)及びエタノール(体積、ml)の比は、1:60:6に維持した。カーボンナノチューブ(CNT)添加バインダーの場合、Na−Alg(重量をgとする)、脱イオン水(体積、ml)、エタノール(体積、ml)及びCNT(重量、g)の比は、1:60:6:0.2である。まず、アルギン酸ナトリウムを撹拌しながらエタノールに添加した。次いで、その混合物の温度をゆっくりと80℃まで上昇させた。温度が80℃に達した時点でその混合物に脱イオン水を加えた。脱イオン水を加えた後、温度は80℃で10分間維持した。次いで、その容器を覆い、50℃で18時間500rpmで撹拌する。
Example 4
<Preparation of sodium alginate-based aqueous binder>
Alginic acid binder is made from sodium salt of alginic acid (Na-Alg) extracted from cell walls of brown algae. The ratio of Na-Alg (weight, g), deionized water (volume, ml) and ethanol (volume, ml) was maintained at 1: 60: 6. In the case of a carbon nanotube (CNT) -added binder, the ratio of Na-Alg (weight is g), deionized water (volume, ml), ethanol (volume, ml) and CNT (weight, g) is 1:60 6: 6: 0.2. First, sodium alginate was added to ethanol with stirring. The temperature of the mixture was then slowly raised to 80.degree. Deionized water was added to the mixture when the temperature reached 80.degree. After adding deionized water, the temperature was maintained at 80 ° C. for 10 minutes. The vessel is then covered and stirred at 500 rpm for 18 hours at 50 ° C.

カーボンナノチューブ(CNT)添加バインダーの場合、この段階の後、CNTを添加する。500rpmの攪拌速度を維持しながら、温度を30℃まで低下させる。CNTが約6〜8時間かけてアルギン酸バインダー溶液と十分に混合された時点で攪拌を停止した。   In the case of a carbon nanotube (CNT) added binder, CNT is added after this step. The temperature is reduced to 30 ° C. while maintaining a stirring speed of 500 rpm. Stirring was stopped when the CNTs were thoroughly mixed with the alginate binder solution for about 6-8 hours.

理想的な混合方法は、適切に分散させるため、CNTを脱イオン水と共に20〜30分間超音波処理した後、エタノール中のアルギン酸ナトリウムの温度が80℃に達した時点でこの溶液に加える方法である。脱イオン水中に分散したCNTを添加した後、温度は80℃で10分間維持した。次いで、その容器を覆い、50℃で18時間500rpmで撹拌する。   The ideal mixing method is to sonicate the CNTs with deionized water for 20-30 minutes for proper dispersion and then add to the solution when the temperature of sodium alginate in ethanol reaches 80 ° C. is there. After addition of the dispersed CNTs in deionized water, the temperature was maintained at 80 ° C. for 10 minutes. The vessel is then covered and stirred at 500 rpm for 18 hours at 50 ° C.

<特性評価>
珪藻を処理して得られたSiO2−C複合物を、X線回折(XRD)により分析した。1次元LynxEye PSD検出器と、40kV、40mAで波長1.5406ÅのNiフィルターCuKα線とを備えたBruker AXS D8 FOCUS回折計を使用した。2秒/ステップの走査速度で、2θ値10〜80°の範囲で0.1°のステップ幅でスキャンを記録した。複合物の比表面積は、窒素吸着測定(Tristar 3000 Micrometrics)により測定した。分析に先立って、サンプルを150℃で24時間脱気した。吸着及び脱着等温線について、それぞれ54点及び40点測定した。BET理論に基づくT−プロット理論を、微細孔領域及び外部表面領域の区別に適用した。かさ密度、気孔率及び細孔分布データは、0.10〜60000psiaの圧力範囲にわたって水銀圧入ポロシメトリー(Micromeritics、Auto pore IV 9500)を使用することにより得た。細孔径の計算において、接触角は130°と仮定した。調製したままのSiO2−C複合物の熱重量分析(TGA)は、合成空気中、850℃まで10℃min-1の昇温速度で、Netzsch STA 449C Jupiter(Selb、ドイツ)を用いて実施した。TG曲線は、30mL min-1の合成空気流下で記録した。すべての場合において、基準値を差し引いた。電界放射型走査電子顕微鏡(FESEM、Zeiss Supra-55 VP)を用いて生成物の形態を観察した。
<Characteristics evaluation>
The SiO 2 -C composite obtained by processing the diatoms were analyzed by X-ray diffraction (XRD). A Bruker AXS D8 FOCUS diffractometer was used, equipped with a one-dimensional LynxEye PSD detector and a 40 kV, 40 mA Ni filter CuKα line at 1.5 mA and wavelength 40 mA. Scans were recorded at a step rate of 0.1 ° with a 2θ value of 10-80 ° at a scan rate of 2 seconds / step. The specific surface area of the composite was measured by nitrogen adsorption measurement (Tristar 3000 Micrometrics). Samples were degassed at 150 ° C. for 24 hours prior to analysis. 54 and 40 points were measured for the adsorption and desorption isotherms, respectively. The T-plot theory based on BET theory was applied to the distinction between the microporous area and the outer surface area. Bulk density, porosity and pore distribution data were obtained by using mercury intrusion porosimetry (Micromeritics, Auto pore IV 9500) over a pressure range of 0.10 to 60000 psia. The contact angle was assumed to be 130 ° in the calculation of the pore size. Thermogravimetric analysis (TGA) of the as-prepared SiO 2 -C complex is carried out using a Netzsch STA 449 C Jupiter (Selb, Germany) in synthetic air at a heating rate of 10 ° C. min -1 up to 850 ° C. did. The TG curve was recorded under a synthetic air flow of 30 mL min -1 . In all cases, the reference value was subtracted. The morphology of the product was observed using a field emission scanning electron microscope (FESEM, Zeiss Supra-55 VP).

[実施例5]
<アノード>
水と酸素濃度が0.1ppmであるアルゴン充填グローブボックス(Labmaster SP、M.Braun GmbH、ドイツ)内に組み立てられたCR2016コインセルを用いて、SiO2及びSiO2−C複合物の電気化学的特性を評価した。コインセルは、対電極としてリチウムで構成され、作用電極は、35重量%のSuper Pカーボンブラック及び15重量%の水性バインダー(アルギン酸塩系Alg:水=1:60重量)と50重量%のSiO2−C複合物を混合することにより調製した。従って、以下の複合材料をターゲットとすると仮定する:
SiO2−C複合材料50重量%=0.30g
カーボンブラック=35重量%=0.21g
アルギン酸塩=15重量%=0.09g
[Example 5]
<Anode>
Electrochemical characteristics of SiO 2 and SiO 2 -C composites using CR2016 coin cell assembled in argon filled glove box (Labmaster SP, M. Braun GmbH, Germany) with water and oxygen concentration of 0.1 ppm Was evaluated. The coin cell is composed of lithium as a counter electrode, the working electrode is 35% by weight of Super P carbon black and 15% by weight of aqueous binder (alginate Alg: water = 1: 60 by weight) and 50% by weight of SiO 2 Prepared by mixing -C complex. Therefore, assume that you target the following composites:
SiO2-C composite material 50 wt% = 0.30 g
Carbon black = 35% by weight 0.21 g
Alginate = 15% by weight = 0.09g

バインダー溶液は、バインダー+溶媒から成り、アルギン酸塩の60倍の水分、すなわち、=0.09×60=5.4gのバインダー溶液が存在する。優れたサイクル性のために、シリコン系電極において高バインダー含有量が推奨された。電極は、電池グレードのCu箔(18μm、Circuit Foil Luxembourg)上にスラリーをテープキャストし、続いて真空炉内において90℃で一晩乾燥させることにより形成した。25μmの微孔性単層ポリプロピレン系の膜(Celgard 2500、米国)をセパレータとして使用した。使用した電解質は、エチレンカーボネート/ジエチルカーボネート(1:1体積比)に溶解した1M LiPF6(Sigma-Aldrich、99.99%)であった。充/放電分析は、室温で0〜2.5Vの定電流で実施した。報告されている容量は全て、SiO2−C複合物の質量に関して記載されている。 The binder solution consists of binder plus solvent, and there is 60 times the water content of alginate, ie, = 0.09 x 60 = 5.4 g of binder solution. A high binder content was recommended in silicon based electrodes for excellent cycleability. The electrodes were formed by tape casting the slurry onto battery grade Cu foil (18 μm, Circuit Foil Luxembourg) followed by drying overnight at 90 ° C. in a vacuum oven. A 25 μm microporous single-layer polypropylene-based membrane (Celgard 2500, USA) was used as a separator. The electrolyte used was 1 M LiPF 6 (Sigma-Aldrich, 99.99%) dissolved in ethylene carbonate / diethyl carbonate (1: 1 volume ratio). Charge / discharge analysis was carried out at a constant current of 0 to 2.5 V at room temperature. All volumes reported are described in terms of the mass of the SiO 2 -C complex.

<結果と考察>
<SiO2−C複合物の特性評価とプロセス開発>
珪藻(SiO2)のX線回折は、処理の異なる段階で実施し、存在するシリカや他の鉱物の相を特定した。洗浄することなく600℃で2時間焼成した珪藻のXRDパターンは、NaCl及びKClとして同定されるピークを示している(図2a参照)。温度が2時間で1000℃まで上昇した場合、鋭いピークが見られた(図2b参照)。2θ=21.8°、28.5°、36.2°[JCPDS01−0438、03−0267]の回折線は、クリストバライトに起因する。しかしながら、クリストバライト回折線は、600℃で焼成した珪藻サンプルに関しては存在しない(図2a参照)。図2cは、空気中650℃で焼成された洗浄した珪藻のXRDパターンを示す。結晶塩(NaCl及びKCl)に起因する回折線は存在しない。従って、本浄化手順により、浄化前に存在する塩は完全に除去されている。
<Results and Discussion>
<Characterization and process development of the SiO 2 -C composite>
X-ray diffraction of diatoms (SiO 2 ) was performed at different stages of the process to identify the phases of silica and other minerals present. The XRD pattern of the diatoms calcined at 600 ° C. for 2 hours without washing shows the peaks identified as NaCl and KCl (see FIG. 2a). A sharp peak was seen when the temperature rose to 1000 ° C. in 2 hours (see FIG. 2 b). Diffraction lines at 2θ = 21.8 °, 28.5 °, 36.2 ° [JCPDS 01-0438, 03-0267] are attributable to cristobalite. However, cristobalite diffraction lines are not present for diatom samples calcined at 600 ° C. (see FIG. 2 a). FIG. 2 c shows the XRD pattern of washed diatoms calcined at 650 ° C. in air. There are no diffraction lines due to crystalline salts (NaCl and KCl). Thus, the purification procedure completely removes the salt present prior to purification.

図2cでは、珪藻が非晶質であるため、明確な回折線は全く無い。図2aに見られる結晶塩からの強いシグナルにより、非晶質シリカからのものは隠蔽されており、これは、図2cに見ることができる。   In FIG. 2c, there is no clear diffraction line at all because the diatoms are amorphous. The strong signal from the crystalline salt seen in FIG. 2a conceals that from amorphous silica, which can be seen in FIG. 2c.

全ての有機物は、この高い焼成温度で焼き尽くされ、ナノ構造のシリカのみが残る。スペクトルの中心は、約2θ=22°にあり、これは非晶質シリカの特徴である。パターンの滑らかさはまた、複数の洗浄を伴う浄化プロセスにより、珪藻の多孔質構造体中に捕捉されたNaCl及びKCl塩が効率的に除去されることも示している。   All organics are burned out at this high calcination temperature, leaving only the nanostructured silica. The center of the spectrum is at about 2θ = 22 °, which is characteristic of amorphous silica. The smoothness of the pattern also indicates that the purification process with multiple washes effectively removes the NaCl and KCl salts trapped in the diatom porous structure.

図2dは、炭素被覆珪藻(SiO2−C)のXRDパターンを示す。浄化工程で除去するのは塩のみであり、珪藻中に存在する有機物は、珪藻を被覆するのに利用される。図2dに見られる幅広の特徴は、炭素層と珪藻(SiO2)のいずれもが非晶質であることを示しており、炭素被覆珪藻(SiO2−C)に他の結晶不純物が存在しないことも裏付けている。 FIG. 2 d shows the XRD pattern of carbon coated diatoms (SiO 2 -C). Only the salt is removed in the purification step, and the organic matter present in the diatoms is used to coat the diatoms. The broad features seen in FIG. 2 d indicate that both the carbon layer and the diatom (SiO 2 ) are amorphous, and no other crystalline impurities are present in the carbon coated diatom (SiO 2 -C). It also supports that.

<熱重量分析(TGA)>
熱重量分析を用いて、珪藻上に被覆された炭素の含有量を測定した(SiO2−C及びSiO2−C(Stxx)複合物)。図3は、珪藻中の残存有機物を炭素源として使用しコーティングを提供したSiO2−C複合物について得られた熱重量曲線を示す。TGA曲線からワンステップ特性が見られる。最初の200℃未満でのわずかな重量損失は、残留水蒸気の脱離と気体成分の蒸発によるものである。
<Thermogravimetric analysis (TGA)>
Using thermogravimetric analysis to determine the content of carbon coated on diatoms (SiO 2 -C and SiO 2 -C (Stxx) composites). Figure 3 shows a thermogravimetric curve obtained for SiO 2 -C composite residual organic substances in the diatoms to provide a coating used as a carbon source. One-step characteristics can be seen from the TGA curve. The initial slight weight loss below 200 ° C. is due to the elimination of residual water vapor and the evaporation of gaseous components.

375〜600℃の間の重量損失が、定流量の酸素中におけるCO及びCO2への炭素の酸化により生じると仮定して、SiO2−Cの炭素含有量を得ている。SiO2−C複合物について、約17重量%の炭素の重量損失が測定されている。 The carbon content of SiO 2 -C is obtained, assuming that a weight loss between 375 and 600 ° C. results from the oxidation of carbon to CO and CO 2 in constant flow of oxygen. For SiO 2 -C composite, weight loss of about 17 wt% carbon is measured.

複合物SiO2−C(Stxx)の場合、炭素源としてトウモロコシデンプンを使用し、有機物を含まない珪藻を被覆する。サンプルの調製に使用したデンプン含有量は、35〜80重量%の間で変化させた。測定した炭素含有量と使用したトウモロコシデンプンの量との間には直線関係が観られる(図4参照)。従って、珪藻上の一定量のカーボンコーティングを提供するのに必要なトウモロコシデンプンの量を推定することが可能である。 In the case of the composite SiO 2 -C (Stxx), corn starch is used as a carbon source to coat organic-free diatoms. The starch content used for the preparation of the samples varied between 35 and 80% by weight. A linear relationship is observed between the measured carbon content and the amount of corn starch used (see FIG. 4). Thus, it is possible to estimate the amount of corn starch needed to provide a constant amount of carbon coating on diatoms.

<形態>
電界放射型走査電子顕微鏡(FESEM)において、細孔径分布が繰り返し変化する炭素被覆珪藻(SiO2−C)の標準的なミクロ及びナノスケールの微細構造が観察された。観察された多孔質形態は、細孔径分布が非常に狭く、長距離秩序を有する(図5参照)。珪藻は、200を超える科に分けられている。図5(a、b及びc)から、ノルウェー海北部から運送された珪藻は、円盤状であり、コスキノディスクス科のコスキノディスクスとして同定される。このタイプの珪藻は、通常、最大の海生珪藻属の一つと考えられている。様々な形状と大きさの弁が繰り返されているのが観察された(図5(d〜o))。炭素被覆珪藻(SiO2−C)の細孔径及び細孔分布は、水銀圧入ポロシメトリーにより詳細に観察した。
<Form>
In field emission scanning electron microscopy (FESEM), standard micro- and nano-scale microstructures of carbon-coated diatoms (SiO 2 -C) with repeated changes in pore size distribution were observed. The observed porous morphology has a very narrow pore size distribution and long range order (see FIG. 5). Diatoms are divided into more than 200 families. From FIG. 5 (a, b and c), the diatoms transported from the northern part of the Norwegian Sea are disk-like and identified as coschinodiscus coskininodiscus. This type of diatom is usually considered to be one of the largest marine diatoms. It was observed that valves of various shapes and sizes were repeated (Fig. 5 (d-o)). The pore size and pore distribution of carbon-coated diatoms (SiO 2 -C) were observed in detail by mercury intrusion porosimetry.

水銀圧入ポロシメトリー(MIP)を用いて、炭素被覆珪藻複合物(SiO2−C)の気孔率、細孔径分布及び細孔表面積を測定した。図6において、x軸は、対数目盛で細孔径を表す。y軸(dV/dlogP)は、水銀を細孔内に送り込むために必要な圧力の対数に対する侵入水銀の体積における変化を表す。赤線は累積細孔面積を示し、漸進的に水銀が取り込まれた後、多数の細孔が一度に充填されるため、急激に取り込まれた。図6から分かるように、50〜600nmの範囲に複数のピークが存在し、各ピークでは細孔径分布が非常に狭い。これらのピークは、メソ細孔及びマクロ細孔に対応し、表面積により寄与していた。細孔径が大きくなるにつれて、表面積は減少する。小さい細孔は、大きい細孔に比べ、表面積により大きく寄与する。約50nmの鋭い大きなピークは、より多くの量の水銀の取り込みに対応しており、表面積に著しく寄与していることは注目に値する。従って、珪藻の多数の細孔の径は50〜80nmの範囲にある一方で、他の細孔の径は200〜600nmの範囲にあることが、ピーク形状に基づき推論できる。水銀圧入ポロシメトリーから得られた結果は、電界放射型走査電子顕微鏡により行われた形態学的観察によっても裏付けられた(図5参照)。 The porosity, pore size distribution and pore surface area of carbon-coated diatom complex (SiO 2 -C) were measured using mercury intrusion porosimetry (MIP). In FIG. 6, the x-axis represents the pore size on a logarithmic scale. The y-axis (dV / dlogP) represents the change in volume of mercury intruded against the logarithm of the pressure required to drive mercury into the pore. The red line indicates the cumulative pore area, and since mercury was gradually taken in, it was rapidly taken in because a large number of pores were packed at one time. As can be seen from FIG. 6, there are a plurality of peaks in the range of 50 to 600 nm, and the pore size distribution is very narrow at each peak. These peaks corresponded to mesopores and macropores and contributed by the surface area. As the pore size increases, the surface area decreases. Small pores contribute more to surface area than large pores. It is noteworthy that the sharp big peak of about 50 nm corresponds to the incorporation of higher amounts of mercury and contributes significantly to the surface area. Therefore, it can be inferred based on the peak shape that the diameter of many pores of diatoms is in the range of 50 to 80 nm, while the diameter of other pores is in the range of 200 to 600 nm. The results obtained from mercury intrusion porosimetry were also corroborated by morphological observations made with a field emission scanning electron microscope (see FIG. 5).

炭素被覆(SiO2−C)及び被覆無しの珪藻(SiO2)の表面積及び気孔率を、窒素吸着に基づくBET分析により測定した。BETは、ミクロ(<2nm)及びメソ(2〜50nm)の細孔の研究に最も適している。物質によっては、100nmを超える細孔の分布に関する包括的なデータを生成することは困難であり得る。その一方で、窒素吸着は、非晶質カーボンコーティングから生じる微細孔に関する有益な情報を提供することができる。予想通り、カーボンコーティングのないサンプルについては、微細孔面積は検出されなかった。しかしながら、外表面積は、約12m2/gであった。炭素被覆珪藻(SiO2−C)サンプルでは、検出された微細孔及び外表面積はそれぞれ19m2/g及び12m2/gであった。一方、同じサンプルについて水銀圧入法により測定した細孔表面積は、約10m2/gであった。圧入法により生成された細孔表面積値は、非常に小さな、すなわち<10nmの細孔が存在しない場合、一般に気体吸着との一致が見られる。これらの細孔は、存在する場合、圧入法による測定範囲外であり、従って、その表面積値は不自然に低い。被覆珪藻と非被覆珪藻の外表面積は等しいことが分かった。これは、珪藻をベースとしたサンプルにおいてカーボンコーティングが微細孔を生成するという仮定を確固たるものにするものである。 The surface area and porosity of the carbon coated (SiO 2 -C) and uncoated diatoms (SiO 2 ) were determined by BET analysis based on nitrogen adsorption. BET is most suitable for the study of micro (<2 nm) and meso (2-50 nm) pores. Depending on the material, it may be difficult to generate comprehensive data on the distribution of pores above 100 nm. On the other hand, nitrogen adsorption can provide useful information on the micropores arising from amorphous carbon coatings. As expected, no pore area was detected for the samples without carbon coating. However, the external surface area was about 12 m 2 / g. For the carbon coated diatom (SiO 2 -C) sample, the detected micropores and external surface area were 19 m 2 / g and 12 m 2 / g, respectively. On the other hand, the pore surface area measured by mercury porosimetry for the same sample was about 10 m 2 / g. The pore surface area values generated by the indentation method are generally found to be consistent with gas adsorption if the pores are very small, i.e. <10 nm. These pores, if present, are outside the range of measurement by the indentation method, so their surface area values are unnaturally low. The external surface area of the coated diatoms and the uncoated diatoms was found to be equal. This confirms the assumption that the carbon coating produces micropores in the diatom-based sample.

<定電流サイクル>
珪藻をベースとした複合物を電極材料として、リチウム箔を対向電極として使用する二電極コインセル(ハーフセル)の構成において、充放電中のこの研究における全てのアノードの電気化学的挙動を調べた。従って、使用中の珪藻をベースとした電極について、充電という用語は脱合金化を意味し、放電という用語は合金化を意味する。図8は、50mA/gの電流密度で50重量%の炭素被覆珪藻をベースとした複合物(SiO2−C)電極の充/放電比容量に対するサイクル電位窓(0〜2.5V)を示す。最初の放電サイクル(合金化)で1050mAh/gの比容量が得られる。第2サイクルにおいて、その容量は800mAh/gに低下し、連続したサイクルで増加し始めた。第50サイクルで875mAh/gに達した。しかしながら、充電中の比容量も、第2サイクル(800mAh/g)から第50サイクル(865mAh/g)まで増加する。最初のサイクルにおける不可逆容量損失は、珪藻の細孔内部に閉じ込められた、又は固体電解質界面(SEI)形成で消費されたより多くのLi+イオンに起因する。充電曲線のパターン(図8参照)から、脱合金化はほとんどが<0.5Vの電位で生じ、合金化は<0.25Vの電位で生じることも明らかである(対Li/Li+)。
<Constant current cycle>
In a two-electrode coin cell (half cell) configuration using a diatom-based composite as the electrode material and lithium foil as the counter electrode, the electrochemical behavior of all the anodes in this study during charging and discharging was investigated. Thus, for diatom-based electrodes in use, the term charging means dealloying and the term discharging means alloying. FIG. 8 shows the cycle potential window (0-2.5 V) versus the charge / discharge specific capacity of a 50 wt% carbon-coated diatom-based composite (SiO 2 -C) electrode at a current density of 50 mA / g . The first discharge cycle (alloying) gives a specific capacity of 1050 mAh / g. In the second cycle, the capacity dropped to 800 mAh / g and began to increase in successive cycles. It reached 875 mAh / g in the 50th cycle. However, the specific capacity during charging also increases from the second cycle (800 mAh / g) to the 50th cycle (865 mAh / g). The irreversible capacity loss in the first cycle is due to more Li + ions trapped inside the diatom pore or consumed at the solid electrolyte interface (SEI) formation. It is also apparent from the charge curve pattern (see FIG. 8) that de-alloying mostly occurs at a potential of <0.5 V and alloying occurs at a potential of <0.25 V (versus Li / Li + ).

50mA/g(1〜30サイクル)及び100mA/g(31〜96サイクル)の電流密度で、炭素被覆珪藻をベースとした複合物(SiO2−C)電極の定電流充/放電サイクルを行った。容量は、約50サイクルで安定するまで徐々に増加する(図9参照)。容量の増加は、いずれの電流比でも認められ、最初の20サイクル中により顕著である。この容量増加は、シリカ(SiO2)がLiにより部分的に還元されるにつれて、ケイ素(Si)相の量が増加するためであり、更なるケイ素がシリカから変換されるにつれて時間とともに容量が増加すると考えられている。100mA/gの電流密度で測定した異なるサイクルについて、電圧曲線に対する微分容量を図10に示す。0.24V未満の初期放電(合金化)中にSiO2がSi又は結晶質Li4SiO4に還元されるという現象は、広く知られている。還元されたSiは、電位が0.0Vに近づくにつれてリチウムイオンとさらに反応し、LixSi合金を形成する。サイクル中のLi4SiO4相の形成は、不可逆的である。初期の数サイクルの間、Li4SiO4相の不可逆的形成を上回る新しいSi相が構造内に含まれることにより得られる容量により、容量の急増が観察される。約0.3Vでの充電サイクル中に顕著なピークが観察され、これはLixSi相の脱合金化に起因し得る。脱合金化ピークの先鋭化の英語" 先鋭化及び伸びは、サイクル数が増加するにつれて脱リチウム化の動態が促進されることを示す。 Constant current charging / discharging cycles of carbon-coated diatom-based composite (SiO 2 -C) electrodes at current densities of 50 mA / g (1 to 30 cycles) and 100 mA / g (31 to 96 cycles) . The capacity is gradually increased until it stabilizes in about 50 cycles (see FIG. 9). An increase in capacity is observed at any current ratio and is more pronounced during the first 20 cycles. This capacity increase is due to the increase in the amount of silicon (Si) phase as the silica (SiO 2 ) is partially reduced by Li, and the capacity increases with time as more silicon is converted from the silica It is believed that. The differential capacitance versus voltage curve is shown in FIG. 10 for the different cycles measured at a current density of 100 mA / g. The phenomenon that SiO 2 is reduced to Si or crystalline Li 4 SiO 4 during an initial discharge (alloying) of less than 0.24 V is widely known. The reduced Si further reacts with lithium ions as the potential approaches 0.0 V to form a Li x Si alloy. The formation of the Li 4 SiO 4 phase during the cycle is irreversible. A surge of capacity is observed due to the capacity obtained by including in the structure a new Si phase in excess of the irreversible formation of the Li 4 SiO 4 phase during the initial few cycles. A noticeable peak is observed during the charge cycle at about 0.3 V, which can be attributed to the dealloying of the Li x Si phase. Sharpening of the dealloying peak English and sharpening indicate that the kinetics of delithiation is promoted as the number of cycles increases.

図9に示す不可逆容量損失は、さらにサイクルを重ねると共に減少し、1%未満で安定した状態を保つ。この不可逆容量は、クーロン効率に反比例する。従って、クーロン効率は、サイクル数とともに増加するとも言え、図10の微分容量曲線と十分一致している。   The irreversible capacity loss shown in FIG. 9 decreases with further cycling and remains stable at less than 1%. This irreversible capacity is inversely proportional to the coulombic efficiency. Thus, although the coulombic efficiency increases with the number of cycles, it is in good agreement with the differential capacity curve of FIG.

2つの異なる電位窓における電流密度100mA/gでの50サイクルに関して、炭素被覆珪藻をベースとした複合物(SiO2−C)とグラファイトの定電流充/放電サイクルの比較を図11に示す。電位窓を0〜2.5Vの間に維持した場合、炭素被覆珪藻をベースとした複合物(SiO2−C)では、850mAh/gを超える安定した比容量が得られる。従来のグラファイト電極は、リチウム金属よりわずか150mV高い電位で動作するため、0〜2.5Vは、グラファイトの能動電位窓としてはあまりにも高すぎる。従って、それらの容量値を比較するためには、より低い電位窓(0〜1V)がより現実的であると考えられる。炭素被覆珪藻をベースとした複合物(SiO2−C)では、約550mAh/gの安定した比容量が明らかに得られた一方で、同じサイクル条件で、グラファイト系電極の安定した比容量は、約70mAh/gであることが分かった。直接定量比較は、それら2つの電極における活物質質量が違うことから、得られた結果から導き出すことはできない。しかしながら、炭素被覆珪藻をベースとした複合物(SiO2−C)の比容量は、計算において等量の活性質量を考慮した場合でも、記載の条件下でグラファイトの比容量の4〜5倍であることは明らかである。 A comparison of the constant current charge / discharge cycles of carbon-coated diatom-based composite (SiO 2 -C) and graphite for 50 cycles at a current density of 100 mA / g at two different potential windows is shown in FIG. When the voltage window is maintained between 0 and 2.5 V, stable specific capacities of over 850 mAh / g are obtained with carbon-coated diatom-based composites (SiO 2 -C). As conventional graphite electrodes operate at a potential only 150 mV higher than lithium metal, 0-2.5 V is too high as an active potential window for graphite. Therefore, lower potential windows (0-1 V) are considered more realistic to compare their capacitance values. In the carbon-coated diatom-based composite (SiO 2 -C), a stable specific capacity of about 550 mAh / g was clearly obtained, while under the same cycling conditions, the stable specific capacity of the graphite-based electrode was It was found to be about 70 mAh / g. Direct quantitative comparison can not be deduced from the results obtained, as the active material masses at the two electrodes are different. However, the specific capacity of the composite (SiO 2 -C) based on carbon-coated diatoms is four to five times the specific capacity of graphite under the described conditions, even when considering the equivalent active mass in the calculations It is clear that there is one.

炭素被覆珪藻ベースのアノード(SiO2−C)の速度性能は、様々な電流密度(100、200、500、1000mA/g)で図12に示されている。電流密度が増加するにつれ、比容量が減少する。高電流密度(1000mA/g)では、他と異なり、充電(脱合金化)比容量は、放電(合金化)比容量より明らかに大きくなった(図12参照)。高電流速度でのこの特定の挙動は、固体電解質界面(SEI)の抵抗により説明することができる。第1サイクル中に形成されるSEIは、リチウムイオンを通過させるために一定の抵抗を有する。放電(合金化)電流が一定の限度を超えると、SEI全体に電圧降下が生じ、リチウムイオンを通過させるのではなくSEI上にリチウムイオンが堆積する(McDowall 2008)。このリチウムめっきは、セルにダメージを与え、そのサイクル寿命を低下させる。従って、最大放電(合金化)電流を明確にし、ダメージ及び容量低下を防ぐ必要がある。 The velocity performance of the carbon-coated diatom-based anode (SiO 2 -C) is shown in FIG. 12 at various current densities (100, 200, 500, 1000 mA / g). As the current density increases, the specific capacity decreases. At high current densities (1000 mA / g), unlike the others, the charge (de-alloying) specific capacity was clearly greater than the discharge (alloying) specific capacity (see FIG. 12). This particular behavior at high current rates can be explained by the resistance of the solid electrolyte interface (SEI). The SEI formed during the first cycle has a constant resistance to pass lithium ions. When the discharge (alloying) current exceeds a certain limit, a voltage drop occurs across the SEI, and lithium ions are deposited on the SEI instead of letting lithium ions pass (McDowall 2008). This lithium plating damages the cell and reduces its cycle life. Therefore, it is necessary to clarify the maximum discharge (alloying) current and to prevent damage and capacity reduction.

炭素被覆珪藻ベースのアノードから得られた結果によると、カーボンコーティングが異なる量のデンプン(0、35及び80重量%)からなる場合、炭素含有量の増加と共にサイクル性能が改善したことは明らかである(図13参照)。複合物SiO2−C(St80)の場合、厚い炭素(約30重量%)層は、適切な相互接続された導電性と共に安定した構造も提供し、サイクル中大きな体積変化を緩衝する。図4に示す熱重量分析により、35重量%のデンプンから約6重量%の炭素しか得られないことが分かったが、これは完全なカーボンコーティングを立証する目的を果たすには不十分である。よって、SiO2−C(St35)及びSiO2(St00)はいずれも充電比容量と放電比容量がほぼ同じであり、同様の傾向に従う。SiO2−C(St35)複合物と比較して、SiO2(St00)の容量がわずかに高いのは、より多くの活性物質が存在するためである。得られた結果は、電極粒子の界面抵抗が電極抵抗に有意に寄与していることも示している。従って、カーボンコーティングの利点を生かし電極導電性を向上させるために、ある一定の厚さのカーボンコーティングを有することが重要である。 From the results obtained from the carbon-coated diatom-based anode, it is clear that when the carbon coating consists of different amounts of starch (0, 35 and 80% by weight) the cycle performance improves with increasing carbon content (See Figure 13). In the case of the composite SiO 2 -C (St 80), a thick carbon (about 30% by weight) layer also provides a stable structure with adequate interconnected conductivity, buffering large volume changes during cycling. While thermogravimetric analysis, shown in FIG. 4, shows that only about 6 wt.% Carbon can be obtained from 35 wt.% Starch, this is insufficient to serve the purpose of demonstrating a complete carbon coating. Therefore, SiO 2 —C (St 35) and SiO 2 (St 00) have almost the same charge specific capacity and discharge specific capacity, and follow the same tendency. The slightly higher capacity of SiO 2 (St 00) compared to the SiO 2 -C (St 35) composite is due to the presence of more active material. The obtained results also indicate that the interfacial resistance of the electrode particles significantly contributes to the electrode resistance. Therefore, it is important to have a carbon coating of a certain thickness in order to take advantage of the carbon coating and to improve the electrode conductivity.

<全セルにおける類推>
世界的な研究努力にもかかわらず、商業的に使用されるカソードの比容量は、200mAh/gの値を超えることができず、ほとんどが150mAh/g未満である。一方、炭素質アノードの実用値は、近年、組成物LiC6の理論値に達している。しかしながら、これらの炭素質アノードは、高電流密度が使用される場合、リチウムイオン拡散速度を高くできないためにその値が低下した。従って、電極材料(カソード+アノード)の総セル容量を増加させるためには、現在のところ、より高容量のアノード材料が唯一の解決策である。アノード比容量の関数としてのセルの総比容量間の典型的な関係は、Yoshioら[Yoshio、Tsumuraら 2005)]により示されており、カソードの比容量(CC)を一定とする場合、セルの総比容量は、アノードの比容量(CA)と共に変化する。
<The analogy in all cells>
Despite worldwide research efforts, the specific capacity of commercially used cathodes can not exceed the value of 200 mAh / g, mostly less than 150 mAh / g. On the other hand, practical value of the carbonaceous anode have recently reached the theoretical value of the composition LiC 6. However, these carbonaceous anodes were reduced in value because lithium ion diffusion rates could not be increased when high current densities were used. Thus, higher capacity anode materials are currently the only solution to increase the total cell capacity of the electrode material (cathode + anode). A typical relationship between the total specific capacity of the cell as a function of anode specific capacity is given by Yoshio et al. [Yoshio, Tsumura et al. 2005)], where the specific capacity (C C ) of the cathode is constant: The total specific capacity of the cell varies with the specific capacity of the anode (C A ).

上記式(式1)を用いて、3つの異なる容量(100、150及び200mAh/g)のカソードを検討し図14を作成した。2つの領域が明確に識別できる。つまり、最初にアノード容量が増加するにつれて総容量は急速に増加し、その後アノードの容量が一定値を超えると平坦化した。従って、アノードの最適化容量は、全セルに関して最良の値が得られる1000〜1250mAh/gの範囲内に特定される。先に図8において、100mA/gの電流密度で定電流によりサイクルした場合、ナノ構造炭素被覆珪藻(SiO2−C)は、850mAh/gの容量を供給することが分かった。しかしながら、より低い電流密度(例えば、50mAh/g)でサイクルする場合、その容量は、900mAh/gを超える。 Using the above equation (Equation 1), three different capacity (100, 150 and 200 mAh / g) cathodes were examined to create FIG. Two areas can be clearly identified. That is, the total capacity increased rapidly as the anode capacity increased initially, and then it was flattened when the capacity of the anode exceeded a certain value. Thus, the optimized capacity of the anode is specified within the range of 1000-1250 mAh / g which gives the best value for all cells. It has been found earlier in FIG. 8 that when cycled by constant current at a current density of 100 mA / g, nanostructured carbon coated diatoms (SiO 2 -C) provide a capacity of 850 mAh / g. However, when cycling at lower current densities (eg, 50 mAh / g), the capacity exceeds 900 mAh / g.

カソード容量を150mAh/gに固定し、アノード容量がグラファイト系アノード及び珪藻ベースのアノードによって変化する、総セル容量の増加量の比較が図15に示されている。図15aは、100mA/g電流密度で測定した珪藻ベースのアノードの実験による容量(850mAh/g)及びグラファイトアノードの理論容量(372mAh/g)に関して、20%増加した総セル容量の比較を示す。リチウムイオンの拡散速度が遅いため、高い電流密度が使用される場合、グラファイト系アノードは、その容量を保持することができないことが分かった。グラファイトアノードのこの挙動は、電流速度が増加するとリチウムイオンの固体拡散が遅いことを見出したZaghibら[(Zaghib、Brochuら、2001)]の知見とよく一致している。このリチウムイオンの拡散が遅いことにより、グラファイトの挿入容量が最終的に制限される。従って、双方の容量値を実験的に測定したときの値を比較するのが、より実用的である。従って、総セル容量は、ハーフセル形状の電流密度100mA/gで測定された珪藻ベースのアノードの容量(850mAh/g)と商業的に調達されたグラファイトアノードの容量(80mAh/g)に基づいて算出し、図15bに示されている。より高い電流速度でグラファイトと珪藻ベースのアノードの比容量を比較すると、珪藻ベースのアノードを使用する場合、全セル容量を20〜140%増加させることができる。   A comparison of the increase in total cell capacity, with the cathode capacity fixed at 150 mAh / g and the anode capacity varied with the graphite based anode and the diatom based anode, is shown in FIG. FIG. 15a shows a comparison of the 20% increased total cell capacity with respect to the experimental capacity (850 mAh / g) of the diatom-based anode measured at 100 mA / g current density and the theoretical capacity of the graphite anode (372 mAh / g). Due to the slow diffusion rate of lithium ions, it has been found that the graphite based anode can not maintain its capacity when high current density is used. This behavior of the graphite anode is in good agreement with the findings of Zaghib et al. [(Zaghib, Brochu et al., 2001)] who found that solid diffusion of lithium ions was slow as the current rate increased. This slow diffusion of lithium ions ultimately limits the insertion capacity of the graphite. Therefore, it is more practical to compare the values obtained by experimentally measuring both capacity values. Therefore, the total cell capacity is calculated based on the capacity of diatom-based anode (850 mAh / g) measured at half cell shape current density 100 mA / g and the capacity of commercially procured graphite anode (80 mAh / g) And is shown in FIG. Comparing the specific capacities of graphite and diatom-based anodes at higher current rates, the total cell volume can be increased by 20-140% when diatom-based anodes are used.

高容量の炭素質アノードであるグラフェンも使用し、珪藻ベースのアノード(SiO2−C)と、総セル容量を比較した。グラフェンは、Hummers法[Hummers and Offeman 1958]を用いて天然グラファイトから研究室内で調製した。酸化グラファイトの形成後、低温(170℃で0.3時間)及び高温(800℃で2時間)で熱処理を実施し、最終形態のグラフェンを得た。グラフェンの理論容量は、それぞれLi26又はLi36のLiイオン吸収によって780〜1116mAh/gの間で変化した[Hou, Shaoら 2011]、(Hwang, Kooら 2013)]。非常に低い電流密度、この場合20mA/gでは、グラフェン製のセルは、約824mAh/gの比容量に達した。しかしながら、電流密度が増加するにつれて、グラフェンもグラファイトと同様の挙動を示し、その容量は大幅に低下した。異なる電流密度(100、200、500、1000mA/g)におけるグラフェン系アノードの定電流充/放電比容量を図16aに示す。100mA/g電流密度において、グラフェン系アノードは225mAh/gの安定した比容量を示したが、珪藻ベースのアノードの比容量は850mAh/gと測定された。カソード容量が150mAh/gに固定されている場合、珪藻ベースのアノードを使用する場合、全セル容量は、理論的には40%を超えて増加し得る(図16b参照)。 Graphene, a high capacity carbonaceous anode, was also used to compare total cell capacity with diatom-based anodes (SiO 2 -C). Graphene was prepared in the laboratory from natural graphite using the Hummers method [Hummers and Offeman 1958]. After the formation of graphite oxide, heat treatment was performed at low temperature (at 170 ° C. for 0.3 hours) and at high temperature (at 800 ° C. for 2 hours) to obtain graphene in the final form. The theoretical capacity of graphene varied between 780 and 1116 mAh / g by Li ion absorption of Li 2 C 6 or Li 3 C 6 respectively [Hou, Shao et al. 2011], (Hwang, Koo et al. 2013)! At very low current densities, in this case 20 mA / g, the graphene cell reached a specific capacity of about 824 mAh / g. However, as the current density increased, graphene also behaved like graphite and its capacity dropped significantly. The constant current charge / discharge specific capacities of graphene based anodes at different current densities (100, 200, 500, 1000 mA / g) are shown in FIG. 16a. At 100 mA / g current density, the graphene-based anode showed a stable specific capacity of 225 mAh / g, whereas the specific capacity of the diatom-based anode was measured at 850 mAh / g. If the cathode capacity is fixed at 150 mAh / g, the total cell capacity can theoretically increase by more than 40% when using diatom-based anodes (see FIG. 16 b).

図17a及び図17bは、ハーフセル(シリカアノード対Li対向電極)の長期サイクルを説明している。   Figures 17a and 17b illustrate the long cycle of the half cell (silica anode to Li counter electrode).

これらの図はいずれも、高い充/放電レートで1000回サイクルした電池(対向電極としてのLi金属を有するハーフセル)を示す。これは、このCレートでは、電池が劣化することを示しているが、通常の使用では、電池がこの高いCレートに長期間さらされることはない。500mA/gのCレートは、非常に高い放電レートである。Liイオン電池が使用されるほとんどのタイプの電子用途では、500mA/gのCレートが要求されることは決してない。電池は、高い放電レートが使用される場合、劣化が早く、放電レートが低い場合、長持ちすることが知られている。   These figures all show a battery (half cell having Li metal as a counter electrode) cycled 1000 times at a high charge / discharge rate. This indicates that the battery degrades at this C-rate, but in normal use the battery is not exposed to this high C-rate for a long time. A C rate of 500 mA / g is a very high discharge rate. In most types of electronic applications where Li-ion batteries are used, a C-rate of 500 mA / g is never required. Batteries are known to degrade quickly when high discharge rates are used and to last long when the discharge rates are low.

図17aにおいて、電極は、炭素で被覆され、カーボンブラック及びNa−アルギン酸バインダーと混合された(溶媒として水を使用)珪藻である。図17bにおいて、電極は、炭素で被覆され、カーボンブラック及びNa−アルギン酸バインダーと混合された(溶媒として水を使用)珪藻土である。珪藻土は、市販されている別のタイプの非晶質シリカであるが、珪藻の有する好ましい形態を有していない。珪藻が提供する特定の形態を利用する利点を示すために、この図を含めた。   In FIG. 17a, the electrodes are diatoms coated with carbon and mixed with carbon black and Na-alginic acid binder (using water as solvent). In FIG. 17b, the electrode is diatomaceous earth coated with carbon and mixed with carbon black and Na-alginate binder (using water as solvent). Diatomaceous earth is another type of amorphous silica that is commercially available, but does not have the preferred form that diatoms have. This figure was included to show the benefits of utilizing the particular morphology provided by diatoms.

用語の説明:
Cレートとは、単位mA/gにおける放電レートのことをいう。
OGDE(図17b)は、有機グレードの珪藻土の略語である。
C1は、最初の充/放電サイクルを示し、C2−1001は、次の1000サイクルを示す。よって、これは、最初のサイクルが100mA/gの充/放電レート(Cレート)で行われ、続く1000サイクルが500mA/gで実施されることを意味する。
珪藻0〜2.5Vとは、珪藻電極を、0Vと2.5Vとの間でサイクルさせたことを意味する。同様に、OGDEについても、0Vと2.5Vとの間でサイクルさせた。
Explanation of terms:
The C rate refers to the discharge rate at the unit of mA / g.
OGDE (FIG. 17b) is an abbreviation for organic grade diatomaceous earth.
C1 indicates the first charge / discharge cycle, and C2-1001 indicates the next 1000 cycles. Thus, this means that the first cycle is performed at a charge / discharge rate (C rate) of 100 mA / g, and the subsequent 1000 cycles are performed at 500 mA / g.
0 to 2.5 V of diatom means that the diatom electrode was cycled between 0 V and 2.5 V. Similarly, OGDE was also cycled between 0 V and 2.5 V.

図18は、高放電レートと低放電レートで1サイクルおきにサイクルしたハーフセルを示す。この図では、Cレート(50mA/g及び500mA/g)を交互に使用している。これは、実際の用途での電池の使用により近い。よって、ここでは、珪藻を含むハーフセルは、一番最初のサイクルで、まず20mA/gで充放電させる。その後、残りのサイクルでは、充/放電レートは50mA/gと500mA/gを交互に繰り返す。従って、四角の上側の列は、それぞれ20mA/gでの充電及び放電を表す。下側の一連の四角は、それぞれ500mA/gでの充電及び放電を表す。ここでの電極は、前述のものと同様であり、炭素で被覆され、溶媒として水を用いてカーボンブラック及びNa−アルギン酸バインダーと混合された珪藻である。電極は、0.015Vと2.5Vとの間でサイクルさせた。   FIG. 18 shows half cells cycled every other cycle at high and low discharge rates. In this figure, C rates (50 mA / g and 500 mA / g) are used alternately. This is closer to the use of the battery in practical applications. Therefore, here, the half cell containing diatoms is first charged and discharged at 20 mA / g in the first cycle. Thereafter, in the remaining cycles, the charge / discharge rates alternate between 50 mA / g and 500 mA / g. Thus, the upper row of squares represents charge and discharge at 20 mA / g, respectively. The lower series of squares represent charge and discharge at 500 mA / g, respectively. The electrodes here are diatoms similar to those described above, coated with carbon and mixed with carbon black and Na-alginic acid binder using water as solvent. The electrodes were cycled between 0.015V and 2.5V.

図19において、電極は、前述のものと同様であり、炭素で被覆され、溶媒として水を用いてカーボンブラック及びNa−アルギン酸塩と混合された珪藻である。ここで、ハーフセルは、0.02V〜2.5Vのやや狭い電位窓でサイクルした。最初のサイクルは20mA/gで実施し、次のサイクルは500mA/gで行われている。更に、10%FEC(フルオロエチレンカーボネート)を電解質に加えた。これは、電池電解質における一般的な添加剤であり、安定性を促進する。FECを使用しない場合に観察された劣化(すなわち、図17a)が見られないため、これも明らかである。   In FIG. 19, the electrode is a diatom similar to that described above, coated with carbon and mixed with carbon black and Na-alginate using water as the solvent. Here, the half cell was cycled with a rather narrow potential window of 0.02V to 2.5V. The first cycle is performed at 20 mA / g and the next cycle is performed at 500 mA / g. In addition, 10% FEC (fluoroethylene carbonate) was added to the electrolyte. This is a common additive in battery electrolytes and promotes stability. This is also apparent as the degradation observed when not using FEC (ie, FIG. 17a) is not seen.

図20は、バインダー中の導電性添加剤としてCNTを用いてサイクルしたものと、CNTを含まないNa−アルギン酸バインダーを用いてサイクルしたものとの2つのハーフセルの充/放電データを示す。CNTを含むセルとは:水に溶解された、カーボンブラックとCNTを含むNa−アルギン酸バインダーと混合された炭素で被覆された珪藻。
CNTを含まないセルとは:水に溶解された、カーボンブラックとNa−アルギン酸バインダーと混合された炭素で被覆した珪藻。上側の2本の線は、バインダー中にCNTを含むセルの充電(青色)及び放電(赤色)である。下側の2本の線は、Na−アルギン酸バインダーのみを含むセルに関するものである。これは、カーボンブラックをCNTに置き換えた場合、約250mAh/g〜300mAh/gを超える増加を示す。いずれのセルも100mA/gでサイクルさせている。
FIG. 20 shows charge / discharge data for two half-cells, one cycled using CNTs as the conductive additive in the binder and one cycled using a Na-alginic acid binder without CNTs. CNT-containing cells: carbon-coated diatoms dissolved in water, mixed with carbon black and Na-alginic acid binder containing CNTs.
CNT-free cells are: carbon-coated diatoms dissolved in water, mixed with carbon black and Na-alginic acid binder. The upper two lines are the charge (blue) and the discharge (red) of cells containing CNTs in the binder. The lower two lines are for cells containing only Na-alginate binder. This represents an increase over about 250 mAh / g to 300 mAh / g when carbon black is replaced with CNTs. Each cell is cycled at 100 mA / g.

図21には、両セルのナイキスト線図が示されている。ナイキスト線図は、CNTを含むセルについて抵抗がはるかに低いことを示すセルのインピーダンスデータを示す。青い線は、CNTを含むセルを示す。x軸の値は、抵抗値をオームで示している。青色及び赤色の半円をx軸に伸ばすことより、CNTを含むセルの抵抗は40オームをわずかに下回る一方で、バインダー中にCNTを含まないセルは60オームを超える抵抗を有することが分かる。低い内部抵抗では、高いCレートと低いCレートの両方で容量が向上する。   A Nyquist diagram of both cells is shown in FIG. The Nyquist plot shows cell impedance data showing much lower resistance for cells containing CNTs. Blue lines indicate cells containing CNTs. The values on the x-axis indicate resistance values in ohms. By stretching the blue and red semicircles along the x-axis, it can be seen that the resistance of cells containing CNTs is slightly below 40 ohms, while cells without CNTs in the binder have resistances exceeding 60 ohms. Low internal resistance improves capacity at both high and low C rates.

全セルテストの結果を図22に示している。この図は、市販のNMC[Li(Ni、Mn、Co)O2]をカソードとして用い、バインダーに添加したCNTを含む珪藻をアノードとして用いた全セル電池の結果を示す。このデータは、珪藻が全セル形態で実際に機能することを示している。青色の線は、セルの最初の充電と放電を示し、赤色の線は2回目の充電と放電のサイクルを示す。このセルは、2.5Vと4.2Vの間でサイクルする。アノードの組成は:炭素で被覆された珪藻、カーボンブラック、CNTを含むNa−アルギン酸バインダー、溶媒としての水
カソードは、導電性添加剤としてカーボンブラック、バインダーとしてPVDF、溶媒としてNMPを使用し、従来の基準に従って作製されている。
The results of the all cell test are shown in FIG. This figure shows the results of an all-cell battery using commercially available NMC [Li (Ni, Mn, Co) O 2 ] as the cathode and diatoms containing CNTs added to the binder as the anode. This data indicates that diatoms actually function in the whole cell form. The blue line shows the first charge and discharge of the cell and the red line shows the second charge and discharge cycle. This cell cycles between 2.5V and 4.2V. The composition of the anode is: carbon-coated diatoms, carbon black, Na-alginic acid binder including CNT, water cathode as solvent, using carbon black as conductive additive, PVDF as binder, NMP as solvent, It is made according to the standards of

<結論>
サイクルの延長により、炭素被覆珪藻(SiO2−C)の可逆容量は、Si相をもたらす化学反応により第4サイクルあたりから増加し始める。炭素被覆珪藻ベースのアノードの多孔質形態及び天然ナノ構造は、Siに関連した体積膨張に適応でき、固体電解質界面層を保護することができる。これらの珪藻ベースのアノードの比放電容量は、グラファイト系アノードの既存の理論容量の値の2倍を超える。これら電極の高い可逆容量、良好なサイクル性能及び簡単な処理により、珪藻は、リチウムイオン電池用の潜在的な環境にやさしい高容量アノード材料となる。
<Conclusion>
The extension of the cycle, the reversible capacity of the carbon coating diatoms (SiO 2 -C) begins to increase from the fourth cycle per a chemical reaction leading to Si phase. The porous morphology and natural nanostructures of carbon-coated diatom-based anodes can accommodate the volume expansion associated with Si and protect the solid electrolyte interface layer. The specific discharge capacity of these diatom-based anodes is more than twice the value of the existing theoretical capacity of graphite-based anodes. The high reversible capacity, good cycling performance and simple processing of these electrodes make diatoms a potential environmentally friendly high capacity anode material for lithium ion batteries.

Claims (19)

カーボンコーティングで被覆された多孔質二酸化ケイ素ネットワークと、
カーボンブラックなどの導電性フィラーと、
水分散性又は水溶性バインダー、好ましくはアルギン酸バインダーと
を含む複合物。
A porous silicon dioxide network coated with a carbon coating,
Conductive fillers such as carbon black,
A composite comprising a water dispersible or water soluble binder, preferably an alginic acid binder.
カーボンコーティングで被覆された焼成珪藻二酸化ケイ素ネットワークと、
カーボンブラックなどの導電性フィラーと、
水分散性又は水溶性バインダー、好ましくはアルギン酸バインダーと
を含む複合物。
A calcined diatomaceous silicon dioxide network coated with a carbon coating,
Conductive fillers such as carbon black,
A composite comprising a water dispersible or water soluble binder, preferably an alginic acid binder.
前記フィラーがカーボンブラックである、前記請求項のいずれかに記載の複合物。   A composite according to any of the preceding claims, wherein the filler is carbon black. 前記バインダーが、アルギン酸塩、例えばアルギン酸ナトリウムなどである、前記請求項のいずれかに記載の複合物。   A composite according to any of the preceding claims, wherein the binder is an alginate, such as sodium alginate. 前記バインダーがCNTを含む、前記請求項のいずれかに記載の複合物。   A composite according to any of the preceding claims, wherein the binder comprises CNTs. 前記ネットワークが、1重量%未満のKCl及び/又はNaClを含む、前記請求項のいずれかに記載の複合物。   A composite according to any of the preceding claims, wherein the network comprises less than 1% by weight KCl and / or NaCl. 前記被覆二酸化ケイ素ネットワークの重量に対して、前記二酸化ケイ素ネットワーク中に10〜40重量%のカーボンコーティングを含む、前記請求項のいずれかに記載の複合物。   A composite according to any of the preceding claims comprising 10 to 40 wt% carbon coating in the silicon dioxide network, based on the weight of the coated silicon dioxide network. 15〜50重量%のフィラーを含む、前記請求項のいずれかに記載の複合物。   A composite according to any of the preceding claims comprising 15 to 50% by weight of filler. 5〜30重量%のバインダーを含む、前記請求項のいずれかに記載の複合物。   A composite according to any of the preceding claims comprising 5 to 30% by weight of a binder. 30〜80重量%の二酸化ケイ素ネットワークと、
15〜50重量%のフィラーと、
2.5〜30重量%のバインダーと
を含む、前記請求項のいずれかに記載の複合物。
30-80% by weight of silicon dioxide network,
15 to 50% by weight of filler,
A composite according to any of the preceding claims comprising 2.5-30% by weight of a binder.
カーボンコーティングで被覆された二酸化ケイ素ネットワークが30〜80重量%である、前記請求項のいずれかに記載の複合物。   A composite according to any of the preceding claims, wherein the carbon coating coated silicon dioxide network is 30-80% by weight. カーボンコーティングで被覆された多孔質二酸化ケイ素ネットワークであって、総重量が1重量%未満のKClとNaClを含む、カーボンコーティングで被覆された多孔質二酸化ケイ素ネットワーク。   A porous silicon dioxide network coated with a carbon coating, the porous silicon dioxide network coated with a carbon coating comprising KCl and NaCl in a total weight of less than 1% by weight. 請求項1〜11に記載の複合物を含む、リチウムイオン電池用アノード。   An anode for a lithium ion battery, comprising the composite according to claim 1. 少なくともアノードと、カソードと、電解質とを有するリチウムイオン電池であって、前記アノードが、請求項1〜11に記載の複合物を含む、リチウムイオン電池。   A lithium ion battery comprising at least an anode, a cathode and an electrolyte, the anode comprising the composite according to claims 1-11. 50サイクルの充放電後に、少なくとも700mAh/gの容量を有する、請求項14に記載のリチウムイオン電池。   15. The lithium ion battery according to claim 14, having a capacity of at least 700 mAh / g after 50 cycles of charge and discharge. 炭素源の存在下で珪藻源を焼成し、炭素で被覆された焼成珪藻ネットワークを得ることと、
当該ネットワークをカーボンブラックなどの導電性フィラー及び水溶性/水分散性バインダーと混合することとを含む、請求項1〜11に記載の複合物の製造方法。
Calcining a diatom source in the presence of a carbon source to obtain a carbon-coated calcined diatom network;
Mixing the network with a conductive filler, such as carbon black, and a water soluble / water dispersible binder.
(i)珪藻源を、例えば、海洋から調達し、任意に前記珪藻を乾燥させることと、
(ii)前記珪藻を洗浄し、任意に、洗浄した珪藻を乾燥させることと、
(iii)不活性雰囲気下、400〜800℃の温度で、工程(ii)の生成物を焼成することとを含む、多孔質炭素被覆二酸化ケイ素ネットワークの製造方法。
(I) procuring a diatom source, for example, from the ocean, and optionally drying the diatom;
(Ii) washing the diatoms and optionally drying the washed diatoms;
(Iii) calcining the product of step (ii) under an inert atmosphere at a temperature of 400-800 ° C., a method of making a porous carbon-coated silicon dioxide network.
(i)珪藻源を、例えば、海洋から調達し、任意に前記珪藻を乾燥させることと、
(ii)前記珪藻を浄化し、任意に、浄化した珪藻を乾燥させることと、
(iii)工程(ii)の珪藻を、酸素含有雰囲気下、400〜800℃の温度で焼くことと、
(iv)工程(iii)の焼いた珪藻に炭素源を添加することと、
(v)工程(iv)の生成物を、不活性雰囲気下、400〜800℃の温度で焼成することと、を含む、多孔質炭素被覆二酸化ケイ素ネットワークの製造方法。
(I) procuring a diatom source, for example, from the ocean, and optionally drying the diatom;
(Ii) purifying the diatoms and optionally drying the purified diatoms;
(Iii) Baking the diatom of step (ii) at a temperature of 400 to 800 ° C. in an atmosphere containing oxygen,
(Iv) adding a carbon source to the baked diatoms of step (iii);
(V) calcining the product of step (iv) at a temperature of 400-800 ° C. under an inert atmosphere, a method of making a porous carbon-coated silicon dioxide network.
アルギン酸塩及びカーボンナノチューブを含むLIBにおける使用に好適なバインダー。   A binder suitable for use in LIBs comprising alginate and carbon nanotubes.
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